JP5612489B2 - 複数のコイル１次を有する誘導充電システム - Google Patents

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本出願は、２００８年３月１３日に出願された米国仮出願第６１／０３６４５９号の利益を主張する。

本発明は、誘導結合に関する。より具体的には、複数の範囲の誘導電力を提供するシステム、及び方法に関する。

電磁誘導の概念を使用して無線電力を提供するシステムは、長年利用されている。従来のシステムは、既存の誘導技術における実際上の限定のために、成果が限定される。例えば、十分に効果的な動作を提供するために、従来の誘導システムは、典型的には誘導充電装置の電子回路と、遠隔装置の電子回路との間で程度が高く協調した同調とともに、１次コイルと、２次コイルとの間を近接し、かつ正確な配置構造とする必要がある。これらの問題は、異なる遠隔装置は、非常に異なる電力量が必要になる可能性があるという事実のために、複雑になる。例えば、携帯電話は、ノート型パソコン、又は台所用機器とは異なる所要電力を有する可能性がある。

誘導充電装置を供給して、遠隔装置間の相違の一部を調整し、かつ把握することが可能になる進歩が一部あった。Kuennenらによる米国特許第６８２５６２０号は、システムの動作を調整して、様々な負荷の動作パラメータに対応する能力を有する誘導充電システムを開示する。名称を「誘導結合した安定器回路（Inductively Coupled Ballast Circuit）」という米国特許第６８２５６２０号は、２００４年１１月３０日に公開され、参照することによって、本明細書に包含される。米国特許出願第１１／９６５０８５号は、遠隔装置、及び遠隔装置の動作パラメータを識別する能力を有する誘導充電システムを開示する。名称を「装置識別を有する誘導充電装置（Inductive Power Supply with Device Identification）」というBaarmanらによる米国特許出願第１１／９６５０８５号は、２００７年１２月２７日に出願され、参照することによって、本明細書に包含される。既存のシステムを超える改良が示されるが、いくつかの応用において、より高い自由度への要望がある。いくつかの応用において、電力の複数の範囲を提供する能力を有する単一の誘導充電装置への要望が存在する。

本発明は、遠隔装置の電力クラスを識別し、その電力クラスに応じて誘導充電装置を提供する誘導充電システム、及びそれに関連する方法を提供する。電力クラスに応じて電力を提供するために、誘導充電装置は、複数のコイルを有する１次コイルアセンブリを具備する。コイルはそれぞれ、選択的に電圧が印加されて、異なる電力クラスに関連する誘導充電の範囲を作り出す。誘導充電システムは、物理的な電気接点なしに、遠隔装置に電力の複数の範囲を提供する。

１つの実施形態において、本発明は、制御器と、コイルセレクタ回路と、コイルアセンブリとを有する誘導充電装置を具備する。この実施形態において、コイルアセンブリは、低電力コイルと、中電力コイルと、高電力コイルとを具備する。遠隔装置はそれぞれ、低電力コイル装置、中電力コイル装置、又は高電力コイル装置に分類される。制御器、及びコイルセレクタ回路を動作して、選択したコイルに電圧を印加する。通常は、低電力コイルは、低電力コイル装置に電力を供給するために電圧を印加され、中電力コイルは、中電力コイル装置に電力を供給するために電圧を印加され、高電力コイルは、高電力コイル装置に電力を供給するために電圧を印加される。いくつかの応用において、低電力コイルは、中電力クラス、及び高電力クラスにおいてさえも、認証、識別、又は通信のために使用される可能性がある。誘導充電装置は、選択したコイルによって提供される電力を同調する技術を実現できる。例えば、コイルはそれぞれ、適応して、調整された共振周波数を有する能力を有することができる。さらに、誘導充電装置の動作周波数、又は他の動作特性は、変化させることができる。

動作において、遠隔装置は、遠隔装置の電力クラスなどの電力要求情報を誘導充電装置に通信する。１つの実施形態において、低電力コイルは、駆動されるときに、時間変動する磁界を作り出す。２次コイルが、駆動する低電力コイルの近くに移動したときに、２次コイルは、低電力コイルと相互インダクタンスを形成する。低電力コイルの磁界は、２次コイルを貫通して、電圧を印加する。これにより、適当なコイルを選択することによって、電力の適当な範囲における電力クラスシーケンスを開始する電力クラス信号を送信し、認証することができる電力を２次に提供する。

複数のコイルを備えるコイルアセンブリを有する誘導充電装置の１つの利点は、単一のホットスポットが、低電力、中電力、及び高電力を遠隔装置に供給できることである。これにより、低電力装置に電力を供給する誘導充電装置、中電力装置に電力を供給するための別個の誘導充電装置、及び高電力装置に電力を提供する別個の誘導充電装置を有するニーズが低減する。さらに、高電力装置が、より低い電力を消費する期間に、より低い電力コイルを使用できるので、省エネルギになるであろう。またより低い電力装置は、空間的な自由度を獲得するために、より高い電力コイルから電力を引き出すことができる。

本発明のこれらの目的、利点、及び形状、並びに他の目的、利点、及び形状は、本実施形態の詳細な説明と、図面を参照することにより、迅速に理解され、認識されることになるであろう。

本発明に係る実施形態に従う誘導充電システムのブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態の１次回路のブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態の２次回路のブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態のタンク回路の回路を概略的に示す図である。 １つの実施形態の誘導充電システムの回路を概略的に示す図である。 １つの実施形態のタンク回路の回路を概略的に示す図である。 １つの実施形態の誘導充電システムの回路を概略的に示す図である。 １つの実施形態のスイッチング回路、及びタンク回路の回路を概略的に示す図である。 遠隔装置に電源を供給する方法の概略的なステップを表すフローチャートを示す図である。 １つの実施形態の１次回路の機能ブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態の２次回路の機能ブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態の１次回路の機能ブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態の２次回路の機能ブロックを概略的に示す図である。 １つの実施形態の誘導充電システムの回路を概略的に示す図である。 １つの実施形態の誘導充電システムの回路を概略的に示す図である。

〔Ｉ．概説〕
図１に記載され、かつ１００で示される本発明に係る誘導充電システムの典型的な実施形態において、誘導充電システムは、誘導充電装置１０２と、遠隔装置１０４とを有する。誘導充電装置は、複数の範囲の電力を生成できる１次コイルアセンブリ１０１を有する１次回路１０３を具備する。遠隔装置１０４は、負荷１０６を有する２次回路１０５を具備する。遠隔装置の２次回路１０５は、電力クラスを包含できる電力要求情報を具備する。電力要求情報は、適当な範囲の電力における電力伝達を容易にするために、誘導充電装置に送信できる。電力要求情報に応答して、１次コイル１０３は、遠隔装置１０４に電力を伝達するために介される１次コイルアセンブリ１０１の適当なコイルを選択する。１つの実施形態において、コイルは、遠隔装置の電力クラスに応じて、少なくとも一部において選択される。単一の誘導充電装置とともに、電力の異なる範囲を選択する能力によって、非常に異なる電力要求を有する装置への電力伝達が可能になる。

本発明は、３つの電力クラスのそれぞれに対応する３つの異なる範囲の電力を提供する３つのコイルを有するコイルアセンブリ１０１との関連で説明される。しかしながら、いくつかの実施形態において、コイルアセンブリは、付加的なコイル、又はより少ないコイルを具備できる。これによって、電力の種々の範囲の数をそれぞれ増加し、又は減少する。したがって、提供できる電力クラスの数をそれぞれ増加し、又は減少する。すなわち、説明される実施形態において、電力の範囲の数と、電力クラスの数との間の相対的なマッピングである。しかしながら、その必要はない場合もある。コイルよりも多い電力クラスがあるシナリオにおいて、複数の電力クラスは同一のコイルにマッピングできる。そして、電力クラスよりもコイルが多いときは、逆もまたしかりである。いくつかの実施形態において、種々のコイルが提供する電力クラス、すなわち電力の範囲の間をいくつか重複できる。

いくつかの応用において、装置は、異なる時に異なる電力量を要求する可能性がある。この一例は、電力を伝達する方法の間に示される。誘導充電装置１０２の１次コイル１０３は、より低い電力コイルを使用して、電力を周期的に送信する。その電力を受信する遠隔装置１０４は、誘導充電装置１０２に電力要求情報を伝達するために、より低い電力コイルを使用する。誘導充電装置は、電力要求情報を使用して、電力伝達のために、コイルアセンブリ１０１の適当なコイルを選択する。このコイルは、初期化手順の間に使用されるコイルとは異なるコイルにしてもよい。

〔ＩＩ．誘導充電システム〕
本発明に従う誘導充電システムの１つの実施形態を図５に図示し、概略的に５００で示す。誘導充電システム５００は、誘導充電装置５０３と、遠隔装置５０４とが表される。一般的に示されているが、遠隔装置５０４は、誘導充電装置が、遠隔装置の電力クラスなどの電力要求情報を検出可能であることを含む通信能力を有するいずれの型の装置にも本質的にできる。

誘導充電装置５０３は、遠隔装置５０４を置く表面５０６を有する専用筐体などの筐体５０１の内部に収容できる。筐体５０１の大きさ、形状、及び構造、及び表面５０６は、変更可能である。さらに、コイルアセンブリ５０２の１次コイル５１２、５１４、及び５１６もまた、表面５０６に対して変更でき、また相互に変更できる。図５の実施形態において、コイル５１２、５１４、及び５１６は、表面５０６の下方に、平面的、かつ同心状に配置される。

図７において示される実施形態などの他の実施形態において、コイル７１２、７１４、及び７１６は、垂直に配置され、かつ遠隔装置７０４を置く表面７０６を有する容器のような形状である筐体７０１の側壁７０２内に埋め込むことができる。図５、及び７は、筐体、表面、及びコイルの配置可能な方法の単なる一例である。他の多くの配置が可能である。

遠隔装置の２次コイルと、アクティブにした１次コイルとの間の類似性によって、効率的な電力伝達が促進される。例えば、２次コイル５０９と、低電力コイル５１２とは、大きさ、形状、巻線数、長さ、及び口径において類似する。これらの類似性によって、より良好な配置が可能になり、効率的な電力伝達が容易になる。同様に、中電力クラス装置、及び高電力クラス装置は、中電力コイル、及び高電力コイルにそれぞれ類似する特性を有する２次コイルを有することができ、これらのコイルに電圧を印加するときに、より良好な電力伝達が容易になる。

遠隔装置の大きさ、すなわち２次コイルの大きさは、図７の実施形態における遠隔装置も同様に、配置を容易にすることができる。全ての場合に正しい訳ではないが、低電力クラス装置は、物理的により小さくなる傾向があるのに対して、高電力クラス装置は、比較的大きくなる傾向がある。これは、図７の実施形態のように、コイルが垂直に配置されると、より小さい装置は、低電力コイル７１２に良好に並べられる傾向を有する一方、より大きな装置は、高電力コイル７１６に良好に並べられる傾向を有する。

遠隔装置と、アクティブにした１次との位置合わせは、磁気的な位置調整によって、さらに容易にできる。いくつかの応用において、誘導充電システム５００は、誘導充電装置内に磁石５１０を組み込むとともに、遠隔装置内に磁石５０８を組み込んで、磁気的な位置調整を提供できる。誘導充電システム５００は、名称を「誘導結合の磁気位置調整（Magnetic Positioning for Inductive Coupling）」という２００８年２月２２日に出願された米国仮出願第６１／０３０５８６号のいずれの特徴も本質的に組み込むことができる。この出願は、参照することによって、本明細書に包含される。磁石は、低電力クラスの遠隔装置、中電力クラスの遠隔装置、及び高電力クラスの遠隔装置のいずれとの組み合わせとともに使用できる。磁気的な位置調整は、いくつかの遠隔装置で使用でき、又は全ての遠隔装置で使用できる。また全ての遠隔装置で使用しなくてもよい。磁石は、随意的であり、誘導充電装置、又は遠隔装置に提供する必要はない。

いくつかの応用において、複数の装置は、図１４で最も理解されるであろうように、誘導充電装置によって、同時に電力を供給できる。１つの簡便なシナリオは、より高い電力コイルを使用して、複数の低電力クラス装置に電力を供給することである。高電力コイルは、より大きい領域を覆う誘導性磁界を示すので、内部に装置を位置させる空間がより大きい。すなわち、電力効率は、低電力装置が、高電力コイルから充電する間に受信可能な電力量を実質的に制限しないので、低電力装置は、空間的な自由度を獲得する。

なおまた、より寛大な負荷、及び装置は、空間的な自由度の利益を取得するために、遠隔装置の電力クラスよりも高い電力クラスを有するコイルを使用できる。装置は、高電力コイルを使用して電力が供給されるが、装置の区分、及び他の基準に基づいて低電力を使用して電力が供給される。図示される実施形態において、この利益は、中電力コイル５１４、又は高電力コイル５１６を低電力遠隔装置に使用することによって得ることができる。寛大な負荷の一例は、遠隔制御である。典型的には、寛大な負荷は、性能を実質的に低下させることなしに、種々の速度、又は種々の電力量で充電できる。

高電力コイルを低電力装置に使用できる場合があるように、低電力コイルを高電力装置に使用できる場合がある。一部の高電力装置は、消費電力が少ないスタンバイオプションを有することが可能である。１つの実施形態では、高電力が供給された装置は、スタンバイモードに入り、低電力コイルを使用して電力を供給できるなどの理由によって、必要な電力が少ないことを示す。本質的には、装置は、一般的な電力クラスを有してもよいが、より多くの電力、又はより少ない電力を供給することが有利である場合がある可能性があり、これらの場合は、複数のコイルを有するコイルアセンブリを使用して、適応できる。これによって、省エネルギをもたらすことが可能である。

〔ＩＩＩ．誘導充電装置〕
本発明は、複数のコイルを備える１次コイルアセンブリを有する１次回路１０３を具備するいずれの誘導充電装置とともに使用することが適当である。したがって、誘導充電装置１０２内の１次コイルアセンブリ１０１に関連しない回路は、詳細に説明されることはないであろう。１次回路１０３は、単数、又は複数の所望の周波数において、交流電流を提供する能力を有するいずれかの回路を本質的に具備することができる。例えば、電源供給回路１０３は、Kuennenらによる名称を「誘導結合したバラスト回路（Inductively Coupled Ballast Circuit）」という２００４年１１月３０日に発行された米国特許第６８２５６２０号で開示された誘導充電システムの共振探索回路、Baarmanらによる名称を「適応誘導充電システム（Adaptive Inductive Power Supply）」という２００７年５月１日に発行された米国特許第７２１２４１４号の適応誘導充電システム、Baarmanらによる名称を「通信を有する適応誘導充電システム（Adaptive Inductive Power Supply with Communication）」という２００３年１０月２０日に出願された米国シリアル番号第１０／６８９１４８号の、通信を有する適応誘導充電装置、Baarmanらによる名称を「電池を充電するシステム、及びその方法（System and Method for Charging a Battery）」という２００７年９月１４日に出願された米国シリアル番号第１１／８５５７１０号のリチウムイオン電池をワイヤレスで充電する誘導充電装置、Baarmanらによる名称を「装置識別を有する誘導充電装置（Inductive Power Supply with Device Identification）」という２００７年１２月２７日に出願された米国シリアル番号第１１／９６５０８５号の装置識別を有する誘導充電装置、又はBaarmanらによる名称を「デューティサイクル制御を有する誘導充電装置（Inductive Power Supply with Duty Cycle Control）」という２００８年１月７日に出願された米国シリアル番号第６１／０１９４１１号のデューティサイクル制御を有する誘導充電装置を具備できる。全てのこれらの刊行物は、その全体が参照することによって、本明細書に包含される。

図２において、誘導充電装置１０２の１次回路の１つの実施形態を図示し、２００で概略的に示される。図示される実施形態の１次回路２００は、概して、１次制御器２０２と、駆動回路２０４と、スイッチング回路２０６と、タンク回路２０８と、ワイヤレス受信器２１２と、電流センサ回路２１０とを有する。

１次制御器２０２は、駆動回路２０４と、スイッチング回路２０６と、タンク回路２０８とを制御する。１次制御回路２０２は、電力要求情報などの遠隔装置１０４から受信する情報を処理する能力を有する。１次制御器２０２は、内部メモリを具備でき、外部メモリにアクセスでき、又はこれらを組み合わせることができる。電力要求情報を使用して、１次コイルアセンブリ２２２のいずれのコイルに電圧を印加すべきかを決定できる。１つの実施形態では、遠隔装置から提供される電力要求情報は、装置が、低電力クラス、中電力クラス、又は高電力クラスのいずれかであるかを識別する。他の実施形態において、遠隔装置から提供される電力要求情報は、遠隔装置が受信を要求する電力量を識別（すなわち、電力調整）し、制御器２０２は、その情報を処理して、いずれのコイルに電圧を印加するかを決定する。電力調整によって、電力クラスのしきい値を超える場合は、異なるコイルに電圧が印加されることになるであろう。また他の実施形態において、電力要求情報は、遠隔装置を識別し、１次制御器は、ルックアップテーブルを使用して、いずれのコイルに電圧を印加するかを決定する。

１つの実施形態において、電力要求情報は、特定のコイルを選択するための最小電力レベル、最大電力レベル、及び双方の電力レベルに関する情報を具備する。いずれのコイルに電圧を印加するかを判定するために使用されるしきい値は、電力要求情報に応じて変化できる。例えば、１つの遠隔装置において、低電力コイルのしきい値の最小、及び最大は、１つの値にできるが、異なる遠隔装置において、低電力コイルのしきい値の最小、及び最大は、異なる値にできる。一方の遠隔装置において、低電力コイルを使用して、ある電力量を送信するのが適当であり、他方の遠隔装置において、中電力コイルを使用して、同一の電力量を送信するのが適当であるという状況にできる。遠隔装置に記憶される電力要求情報は、性能に基づくことができ、設計予測（design expectations）に基づくことができる。

１次制御器２０２は、他の機能とともにプログラムできる。例えば、この実施形態において、１次制御器２０２は、米国シリアル番号第１１／９６５０８５号で説明される発明の概念を使用して、遠隔装置を識別するようにプログラムされる。この出願は、参照することにより、先に包含されている。例えば、遠隔装置ＩＤは、電力要求情報を具備できる。また、電力要求情報は、遠隔装置ＩＤをキーとして使用して、誘導充電装置１０２のルックアップテーブルにアクセスできる。

本質的には、ドライバ２０４、及びスイッチング回路２０６のいずれの型も使用できる。この実施形態のスイッチング回路２０６は、ＤＣからＡＣに変換するインバータを形成する１対のスイッチとして実施される。

図２のタンク回路２０８は、コイルセレクタ回路２２０と、複数のコイルを有する１次コイルアセンブリ２２２とを具備する。コイルセレクタ回路２２０は、コイルアセンブリ２２２の複数のコイルの１つ、又は複数に電圧を印加する能力を有する。図４において、別々の複数のコイルの間の選択を示し、図６において、単一のコイルの複数のタップの間の選択を示し、図１５において、単一のコイルの複数のセグメントの間の選択を示す。図示される実施形態は、単なる例示であり、別々のコイル、複数のタップ、及び複数のセグメントのいずれかの組み合わせを使用して、複数の異なるコイル構成のオプションの変形を提供できる。１つの実施形態において、制御器２０２は、いずれのコイルに電圧を印加するかを、コイルセレクタ回路２２０に指示する。図示される実施形態において、１次コイルアセンブリ２２２は、低電力コイル、中電力コイル、及び高電力コイルの３つのコイルを具備する。他の実施形態において、１次コイルアセンブリ２２２は、より多くのコイルを具備し、又はより少ないコイルを具備する。いくつかの応用において、１次コイルアセンブリ２２２のコイルは、リッツ線から形成できる。他の実施形態において、コイルは、銅、ＬＩＴＺ、ＰＬＩＴＺ、ＦＬＩＴＺ、導電性インク、又はコイル特性を有する他のいずれかの材料にできる。それぞれのコイルの特性は、応用ごとに変更でき、またコイルごとに変更できる。ぞれぞれのコイルの巻数、大きさ、長さ、口径、形状、及び構造などは、変更できる。１つの実施形態において、低電力コイルは、１０本程度のＬＩＴＺ線を有し、中電力コイルは、５０本程度のＬＩＴＺ線を有し、高電力コイルは、１３８本程度のＬＩＴＺ線を有する。１つの実施形態において、低電力コイル、中電力コイル、及び高電力コイルの間の唯一の相違点は、コイルのそれぞれの口径である。またコイルに関して説明されるが、１次コイルアセンブリ２２２は本質的に、電磁界を使用して、複数の範囲の電力を選択的に生成する能力を有するいずれかの構造にできる。１つの実施形態において、１次コイルアセンブリ２２２は、Baarmanらによる名称を「プリントされた回路基板回路（Printed Circuit Board Coil）」という２００７年９月２８に出願された米国シリアル番号第６０／９７５９５３号の発明概念が組み込まれるプリント回路基板のコイルなどの、プリント回路器基板のコイルとして実施できる。この出願は、参照することによって、本明細書に包含される。

図８の回路図は、典型的なスイッチング回路８０２と、タンク回路８０４とを示す。スイッチング回路は、２つの電界効果トランジスタスイッチ８１０、及び８１２を具備する。しかしながら、本質的には、いずれの型のスイッチを使用できる。スイッチ８１０、及び８１２は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。ＡＣ電力は、スイッチングされる３つのＬＣ回路に並列で供給される。この実施形態において、ＬＣ回路はそれぞれ、それぞれのコイルが開始する共振を設定する可変キャパシタ８１４、８１６、及び８１８を具備する。他の実施形態において、可変キャパシタ８１４、８１６、及び８１６は、除去でき、また可変でないキャパシタに置き換えることができる。可変キャパシタ８１４、８１６、及び８１６は、動作の間に私の制御器２０２により制御されるか、又は製造時に手動で制御される。図示される実施形態において、１次コイルアセンブリは、低電力コイル８３２、中電力コイル８３４、及び高電力コイル８３６を具備する。しかしながら、上述のように、異なる構造のコイル、及び異なる数のコイルにより、実施できる。スイッチ８２０、８２２、８２４、８２６、８２８、及び８３０は、コイル８３２、８３４、及び８３６のいずれかが電力を受信するかを制御する。すなわち、単数、又は複数のコイルのいずれに電圧が印加されるかを制御する。この実施形態において、制御器３１６は、８２０‐８２２、８２４‐８２６、及び８２８‐８３０の１対を一度にアクティブにする。すなわち、コイルは、相互に排他的な方法でアクティブにされる。しかしながら、他の実施形態において、複数のコイルは、応用によって同時にアクティブにできる。さらに、他の実施形態において、マトリクス選択のために付加的なスイッチをそれぞれのコイルの間に配置できる。さらに他の実施形態において、回路におけるスイッチの数を削減するために、スイッチ８２２、８２６、及び８３０は、削除され、すなわち短絡される。

この実施形態において、ワイヤレスＩＲ受信器２１２、及び電流センサ回路２１０を双方使用して、遠隔装置と通信する。電流センサ２１０を使用して、遠隔装置からの反射インピーダンスを感知できる。これによって、誘導結合による効率的な通信が可能になる。ワイヤレスＩＲ受信器を使用して、２次回路３００のワイヤレスＩＲ送信器３２０と通信できる。他の実施形態において、ピーク検出器は、既に実施される通信システムと置き換えられることができ、また既に実施される通信システムとともに使用できる。ワイヤレスＩＲ受信器２１２、及び電流センサ回路２１０の一方、又は双方は、１つ、又は２つ以上の遠隔装置と通信する種々の通信システムに置き換えることができる。例えば、ＷＩＦＩ通信システム、赤外線通信システム、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信システム、移動体通信システム、又はＲＦＩＤ通信システムのいずれかの通信システムを、１次回路２００において、実施できる。１つの実施形態において、電流センサ回路は、遠隔装置に関連する電力要求情報を低電力クラスで受信し、ワイヤレスＩＲ受信器は、遠隔装置に関連する電力要求情報をより高い電力クラスで受信する。電流センサ回路を使用する通信は、より多くの電力量が送信される場合は、非効率になる可能性がある。電力伝達が多い間、異なる通信システムを使用することによって、損失は、低減できる。

動作中に、１次制御器２０２、駆動回路２０４、及びスイッチング回路２０６は、タンク回路２０８に交流電流を印加して、選択された電力範囲、及び周波数における電磁誘導電力のソースを生成する。

図４において、タンク回路２０８の１つの実施形態が記載され、４００で示される。タンク回路２０８は、コイルセレクタ回路４２０、及び１次コイルアセンブリ４０８を具備する。１次コイルアセンブリ４０８は、随意的な位置調整磁石４２０と、低電力コイル４１０と、中電力コイル４１２と、高電力コイル４１４とを具備する。この実施形態において、コイルの一部は、コイルセレクタ回路との電気的な接続を共有する。具体的には、低電力コイル４１０は、中電力コイル４１２と、リード線を共有する。中電力コイル４１２は、高電力コイル４１４と、別のリード線を共有する。

物理的な特性によって、コイルに電圧が印加されるときに送信される電力がもたらされる。この特性の例は、形状、長さ、口径、及び巻数を含む。コイル４１４、４１２、及び４１０の物理的な特性のいずれかは、本質的に変更できる。図示される実施形態において、低電力コイル４１０は、中電力コイル４１２と比較すると、比較的短い長さ、及び口径を有する。同様に、中電力コイル４１２は、高電力コイル４１４よりも短い長さ、及び口径を有する。さらに図４に示すコイルは、概して円形である。しかしながら、コイルは、楕円形、長方形、正方形などのようないくつかの他の形状を使用して実施できる。１つの実施形態において、多次元のコイルで実施される。

また他の要因によって、コイルに電圧が印加されるときに送信される電力がもたらされる。例えば、１つの要因は、コイル４１０、４１２、及び４１４の間の空間である。図４に示す実施形態において、コイル４１０、４１２、及び４１４の間の間隙４１６、及び４１８があり、クロストーク、又は他の干渉を低減する可能性がある。この実施形態において、これの間隙４１６、及び４１８は、空気が充填され、コイル４１０、４１２、及び４１４の間の絶縁を提供する役目を果たす。他の実施形態において、空隙４１６、及び４１８は、シールド材料が充填されて、さらなる絶縁を提供できる。また他の実施形態において、空隙４１６、及び４１８は、コイル４１０、４１２、及び４１４が作り出す磁界を移動させるために、フェライトを充填できる。図６に示す実施形態において、コイル６１０、６１２、及び６１４の間の空間は、限定される。コイルの間に空隙がないので、コイルの大きさを維持したまま、コイルをよりコンパクトにすることが可能である。図６の実施形態において、コイルは、コイルセレクタ回路６２０へのリード線の一部を共有する。他の実施形態において、コイル６１０、６１２、及び６１４はそれぞれ、コイルセレクタ回路６２０への分離した２つのリード線を含むことができる。

〔ＩＶ．遠隔装置〕
図３において、２次回路の１つの実施形態が記載され、概略的に３００で示される。図３に図示される実施形態において、２次回路３００は通常、２次３０２と、整流器３０４（又はＡＤ電力をＤＣに変換する他の構成要素）と、２次制御器３１６と、メモリ３２２と、ワイヤレスＩＲ送信器３２０と、信号レジスタ３１８と、負荷３０６とを具備する。他の回路を具備ことができる。例えば、他の１つの実施形態において、低電圧電源を具備して、受信電力をスケール（scale）できる。さらに他の実施形態において、条件回路を具備して、受信電力をフィルタリングするか、さもなければ受信電力を調整できる。

図示される実施形態の２次コイル３０２は、変動する電磁界が存在する下で、電気を生成するのに適した線のコイルである。図５において、最も明快に示されるであろうように、２次回路５０９は、１次コイル５１２、５１４、及び５１６の１つの大きさ、及び形状に対応できる。例えば、２つのコイルは、実質的に等しい直径を有することができる。いくつかの応用において、２次コイルは、リッツ線のコイルにできる。１次コイルと同様に、２次コイル５０９の特性は、応用ごとに変更できる。例えば、２次コイルの巻数、大きさ、形状、構造、又は他の特性は、変更できる。さらに、長さ、口径、及び線の型などの線の特性は、変更できる。線のコイルとの関係で説明されるが、本質的には、２次コイル５０９はまた、対象とする電磁界に応答した十分な電力を生成する能力を有するいずれかの構造にできる。

他のいくつかの実施形態において、遠隔装置は、複数の２次コイルを有することができる。例えば、遠隔装置は、低電力の応用のための分離した低電力コイルと、中電力の応用のための分離した中電力コイルと、高電力の応用のための分離した高電力コイルとを有することができる。また他の実施形態において、遠隔装置は、複数の２次コイルを有して、方位的な自由度、及び空間的な自由度を、遠隔装置に与える。

１つの実施形態において、種々の位相の電力を受信する複数の２次コイルを使用して、リップル電圧を低減できる。これは、Baarmanらによる名称を「多位相誘導充電システム（Multiphase Inductive Power Supply System）」という２００７年９月９日に出願された出願第６０／９７６１３７号において参照される。この出願は、参照することによって、本明細書に包含される。この実施形態において、それぞれが複数のコイルを有する複数のコイルアセンブリは、種々の位相において電力を転送することが望まれる可能性がある。

動作中に、整流器３０４は、２次コイル３０２で生成されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。いくつかの応用において、整流器は、除去できる。例えば負荷３０６がＡＣ電力を受け取る場合である。

２次制御器３１６は、本質的に電力要求情報を誘導充電装置に通信する通信システムを動作する能力を有するいずれの型のマイクロ制御器にできる。いくつかの実施形態において、２次制御器３１６は、メモリを具備する。図示される実施形態において、２次回路は、外部メモリ３２２を具備する。メモリは通常、電力要求情報を具備し、かつ遠隔装置についての付加的な情報を具備できる。電力要求情報は、遠隔装置がどの程度の大きさの電力を所望するかを分類する電力クラスを具備する。

１つの実施形態において、低電力クラス、中電力クラス、及び高電力クラスの３つの電力クラスがある。低電力クラスは、０ワットと５ワットとの間の電力が所望される装置として規定される。中電力クラスは、５ワットと１１０ワットとの間の電力が所望される装置として規定される。高電力クラスは、１１０ワットよりも大きい電力が所望される装置として規定される。この電力クラススキームの下で低電力クラスの装置として分類される装置の例には、携帯電話、ＭＰ３プレーヤ、及び携帯情報端末（ＰＤＡ）が包含される。中電力クラスである装置の例には、ラップトップコンピュータ、及び他の中電力の応用が包含される。高電力装置の例には、ミキサ、又はフライパンなどの台所用器具が包含される。異なる電力クラスを有する他の実施形態において、電力クラスの規定は、変更できる。

１つの実施形態において、信号レジスタ３１８を使用して、１次制御器２０２に情報を送信できる。信号レジスタ３１８を使用して２次回路１０３から１次回路１０５への通信を提供することは、参照することによって、先に包含された米国特許出願第１１／８５５７１０号において説明された。信号レジスタ３１８は、過電流状態、又は過電圧状態を示す通信信号を、分路するときに送信する。レジスタを分路するとき、１次回路１０３の電流検出器、又はピーク検出器は、過電圧／過電流状態を感知し、それに応じて作動できる。本発明に係る信号レジスタ３１８は、系統的に分路して、１次制御器２０２に付加的なデータを通信できる。例えば、データのストリームは、電力要求情報を示すことができ、また遠隔装置についての他の情報を提供できる。また、信号レジスタ３１８は、別の通信システムと全体的に置き換えることができる。例えば、ワイヤレス送信３２０を信号レジスタ３１８とともに使用して、又は信号レジスタ３１８の代わりに使用して、１次回路２００のワイヤレス受信器２１２とワイヤレス通信できる。他の実施形態において、ワイヤレスＩＲ送信器３２０、及び信号レジスタ３１８の一方、又は双方は、誘導充電装置と通信する別の通信システムに置き換えることができる。例えば、ＷＩＦＩ通信システム、赤外線通信システム、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信システム、移動体通信システム、又はＲＦＩＤ通信システムのいずれかの通信システムを、遠隔装置１０４において、実施できる。

ワイヤレス送信器、又はワイヤレス送受信器を使用することは、参照することによって、先に包含されたBaarmanらによる米国特許出願公報第２００４／１３０９１５Ａ号において、先に説明された。具体的には、ＷＩＦＩ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、移動体、又はＲＦＩＤは、遠隔装置と、誘導充電装置との間のデータをワイヤレス通信する方法として、先に説明された。さらに誘導コイル、及び電力線通信プロトコルを使用する通信が説明された。所望のデータを遠隔装置から誘導充電装置に送信するためにデータを送信するこれらのデータ送信方法のいずれも、本発明において実施できる。

遠隔装置の負荷３０６は、本質的には、いずれかの適当な負荷にできる。いくつかの実施形態において、負荷３０６は、再充電可能な電池にでき、２次回路は、付加的な充電回路を具備できる。他の実施形態において、負荷３０６は、遠隔装置の機能に関係できる。

〔Ｖ．方法〕
図９のフローチャートにおいて、認証、及び電力伝達制御の方法が記載され、概略的に９００で示される。本方法は、ピングメッセージ（ｐｉｎｇ ｍｅｓｓａｇｅ）を周期的に送信する工程９０２と、それに応じて受信したメッセージを認証する工程９０４と、認証メッセージに応答して、制御識別クラス（ＣＩＤＣ）、及び１次電力クラスＰＰＣを決定して、決定したＣＩＤＣ、及びＰＰＣに基づいて電力伝達を開始する工程９０６とを具備する。アクティブ電力送信モード９０８の間、装置の存在、及び制御点の状態は、遠隔装置からの制御フィードバックパケット９１２を有するフィードバックループにおいて、連続的にチェックされる（９１０）。

１つの実施形態において、誘導充電装置は、ピンギング、又はアクティブ電力伝達といういくつかのモードの１つである。ピングモードは、適当な装置が存在するか否かを能動的に判定する。電力伝達は、デバイス識別クラスが認識され、かつ有効であるときにのみ行われる。

安全なピング頻度は、誘導充電システムのハードウェアの特性を使用して、決定できる。１次は、特定のピング頻度における低電力コイル（又は他のコイル）に電圧を印加することによって、２次との通信を試みて、応答を待つ。２次が、充電領域内部に存在する場合、ピング動作の間に送信されるエネルギによって、初期化し、かつ電力要求情報を含む識別メッセージを、誘導充電装置に送信するのに十分に電力を供給できる。

１次が、ピング動作の間に充電領域の装置を検出しない場合は、コイル電力は、検出のための次の試みまで除かれる。１次が、ピング動作の間に充電領域の装置を検出した場合は、１次は、試みにおいて確立された開始動作頻度に戻り、電力伝達を開始する。伝達の間に２次に供給される電力は、２次から受信する通信に基づいて制御できる。

制御識別クラスは、誘導充電装置の種々の制御方法を識別して、遠隔装置を充電し、又は電力を供給するため使用できる。制御識別クラスの例示には、充電設定点制御、充電エラー制御、充電設定点制御、充電エラー制御、及び充電検出制御が包含される。

１次の電力クラスは、誘導充電装置の特定のコイルの電力の範囲を決定する。また、１次の電力クラスは、コイルの形状、及びパラメータ仕様に影響を与える可能性がある。他の実施形態において、１次の電力クラスは、誘導充電装置が提供する電力の全体的な範囲についての情報を包含する。遠隔装置は、誘導充電装置に送信する電力要求情報に遠隔装置の電力クラスを包含できる。遠隔装置の電力クラス、及び１次の電力クラスは、同一にでき、また異なることができる。

１つの実施形態において、電力クラスは、遠隔装置から誘導充電装置に通信される情報の一部である。１つの実施形態において、情報は、遠隔装置が要求することを予期できる電力の最大量についての情報を、１次回路に提供できる。例えば、携帯電話は、３．５Ｗの最大電力レベルに分類できる。この電力クラスのバイトは、００００ ０１１１ｂであろう。

以下のチャートは、電力クラスのバイトを構成できる方法を説明する。電力クラスは、本質的にどのような方法でもエンコードできる。このチャートは、可能な１つの実施形態を単に示す。

図１０において、本発明に係る１つの実施形態に従って、電力を提供する機能ブロック図を示す。図１１において、本発明に係る１つの実施形態に従って、電力を受信する機能ブロック図を示す。図１２において、本発明に係る他の実施形態に従って、電力を提供する機能ブロック図を示す。図１３において、本発明に係る１つの実施形態に従って、電力を受信する機能ブロック図を示す。

図１０、及び１１の機能ブロック図は、遠隔装置の負荷を誘導的に充電することに向けられる。図１２、及び１３の機能ブロック図は、遠隔装置の再充電可能な電池を誘導的に充電することに向けられる。

図１０、及び図１２において、コイルはそれぞれ、上述のように複数のコイルを有する１次コイルアセンブリを示してもよい。また、コイルはそれぞれ、１次コイルアセンブリの１つのコイルを示してもよい。

これまで、複数のコイルの誘導充電装置のいくつかの実施形態が説明されてきた。具体的には、例示は、複数のタップ構造で構成される複数のコイルを使用する複数のコイルの誘導充電装置を提供しているか、又は独立のコイル構造を使用する複数のコイルの誘導充電装置を提供している。また、可変インダクタンスを提供する他の構造を提供できる。例えば、図１５に示されるリッツ線のようなセグメント化された１次は、可変量のインダクタンスを提供するために、様々な構造において、接続され、かつ、印加されることが可能である複数のより線を提供できる。セグメント化された１次の様々な構造によって、誘導充電装置は、同一の１次を使用して、２次電力により良好にマッチすることが可能になるとともに、高電力から低電力までの結合要求により良好にマッチすることが可能になる。この実施形態において、タップ、及びセグメント構造の組み合わせは、広範囲のインダクタンス値、及び線口径を提供する。いくつかの実施形態において、セグメントの一部は、接続せずに、より広い範囲にできる。

より線の接続方法によって、種々の構造を創出できる。以下の表は、様々なコイルセレクタ回路のセグメントオプションのいくつかの例示を示す。

図１５において、４つの区域にセグメント化されているリッツ線の断面を示す。図示される実施形態において、区域はそれぞれ、別々に電圧が印加される。他の実施形態において、区域は、異なって分割でき、より線はそれぞれ、別々に電圧を印加できる。さらに、この実施形態において、コイルセレクタ回路が様々なセグメントをともに接続する方法に基づいて、セグメントを並列に、又は直列に配置できるように、コイルセレクタ回路は、ぞれぞれのタップにおいて、それぞれのセグメントを別々に接続する。

図１５において、口径を変化させる３つのコイル６１０、６１２、及び６１４が示されるが、他の実施形態において、コイルはそれぞれ、同一の口径にでき、コイルセレクタ回路が、いずれのセグメント、又は別個のより線のいずれかに電圧を印加するかを選択することによって、口径は、制御できる。

他の誘導充電装置の実施形態に関して既に説明したように、コイルセレクト回路は、制御器２０２のメモリにレジストされるプログラムに従って、制御できる。コイルセレクト回路は、遠隔装置から提供される電力要求情報に基づいて調整する動作の間、セグメント化された１次の構造を変更できる。線の口径を動的に変化する能力、及び他の特性は、２次電力、及び結合要求により良好にマッチするのに有用である。

これまでの説明は、本発明に係る現在の実施形態の説明である。様々な変形、及び変更が、本発明の精神、及びより広範な態様から逸脱することなしに、実施できる。

Claims (20)

1. 遠隔装置にワイヤレス電力を供給する誘導充電装置であって、
   複数のセグメントを含み、各セグメントは、互いに絶縁された一つ以上のより線を有し、前記遠隔装置にワイヤレスで電力を伝達するために電圧印加可能な単一のコイルと、
   複数のスイッチと、
   前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造又は直列構造を形成するために、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定する制御器と、
   を有することを特徴とする誘導充電装置。
2. 前記制御器は、前記遠隔装置が要求する電力及び前記遠隔装置による前記単一のコイルに対する結合要求に適合するように前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定するようプログラミングされる請求項１に記載の誘導充電装置。
3. 前記制御器は、前記遠隔装置から受信した電力要求情報に応じて、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定するようプログラミングされる請求項１に記載の誘導充電装置。
4. 前記制御器は、前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造並びに直列構造のそれぞれにおいて異なる数の巻数を提供するように、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定するようプログラミングされる請求項１に記載の誘導充電装置。
5. 前記制御器は、前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造並びに直列構造のそれぞれにおいて異なる口径値を提供するように、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定するようプログラミングされる請求項１に記載の誘導充電装置。
6. 前記複数のセグメントのそれぞれは、複数のより線を含む請求項１に記載の誘導充電装置。
7. 遠隔装置にワイヤレス電力を供給する誘導充電装置の作動方法であって、
   複数のセグメントを含み、各セグメントは、互いに絶縁された一つ以上のより線を有し、前記遠隔装置にワイヤレスで電力を伝達するために電圧印加可能な単一のコイルを提供することと、
   複数のスイッチを提供することと、
   前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造又は直列構造を形成するために、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定することと、
   を有することを特徴とする誘導充電装置の作動方法。
8. 前記遠隔装置が要求する電力及び前記遠隔装置による前記単一のコイルに対する結合要求に適合するように前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定することを含む請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
9. 前記遠隔装置から受信した電力要求情報に応じて、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定することを含む請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
10. 前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造並びに直列構造のそれぞれにおいて異なる数の巻数を提供するように、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定することを含む請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
11. 前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造並びに直列構造のそれぞれにおいて異なる口径値を提供するように、前記複数のセグメントを設定する前記複数のスイッチを選択可能に設定することを含む請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
12. 前記複数のセグメントのそれぞれは、複数のより線を含む請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
13. 前記複数のセグメントは、単一のリッツ線コイルを形成する請求項１に記載の誘導充電装置。
14. 前記複数のセグメントは、単一のリッツ線コイルを形成する請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
15. 前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造並びに直列構造はそれぞれ、異なる量のインダクタンスを有する請求項１に記載の誘導充電装置。
16. 前記複数のセグメントの並列構造、並列及び直列構造並びに直列構造はそれぞれ、異なる量のインダクタンスを有する請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
17. 前記単一のコイルは、複数のタップを含み、前記制御器は、前記単一のコイルの前記複数のタップとの間の選択を行う請求項１に記載の誘導充電装置。
18. 前記単一のコイルと異なり、かつ、前記遠隔装置にワイヤレスで電力を伝達するために電圧印加可能な第２のコイルを更に有し、前記制御器は、前記単一のコイルと前記第２のコイルとの間の選択を行う請求項１に記載の誘導充電装置。
19. 前記単一のコイルは、複数のタップを含み、前記制御器は、前記単一のコイルの前記複数のタップとの間の選択を行う請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。
20. 前記単一のコイルと異なり、かつ、前記遠隔装置にワイヤレスで電力を伝達するために電圧印加可能な第２のコイルを更に有し、前記制御器は、前記単一のコイルと前記第２のコイルとの間の選択を行う請求項７に記載の誘導充電装置の作動方法。

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