JP2013545430A - 電子機器の電力供給方法と、これを用いるソース電子機器及びターゲット電子機器 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
さらに前記通信部は、前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数を前記共振電力送信装置に送信する。
図1は、一実施形態に係る共振電力送信装置の構成を示す。
図1を参照すると、共振電力送信装置100は、ソース共振器110、検出部120、共振電力生成部130、ソース制御部140及び通信部150を備える。また、共振電力送信装置100は整流部160及び定電圧制御部170をさらに備え得る。
図2を参照すると、共振電力受信装置200は、ターゲット共振器210、通信部220及びターゲット制御部230を備える。また、共振電力受信装置200は、整流部240、DC/DCコンバータ250及び負荷(load)260をさらに含む。
周波数分析部141は、例えば図9に示すような周波数スペクトル分析に基づいて予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数を決定する。例えば、任意の時間区間T1で測定された周波数スペクトルが図9に示すようであれば、周波数分析部141はT1で用いられる共振周波数をF1又はF2に決定する。ここで、図9は、送信電力及び反射電力に対する周波数スペクトルの例を示す。図9で「n21」は送信電力の周波数スペクトルを示し、「n11」は反射電力の周波数スペクトルを示す。反射電力は例えば反射信号カプラー(図示せず)によって測定される。
プロセッサ145は、ソース制御部140の諸機能の管理及び/又は制御を行うように構成される。
定電圧制御部170は、整流部160からDC電圧が入力され、ソース制御部140の制御により一定レベルのDC電圧を出力する。定電圧制御部170は、一定レベルのDC電圧を出力するための安定化回路を含んで構成される。
DC/DCコンバータ250は、整流部240から出力されるDC電圧のレベルを調整して負荷260で必要なDC電圧を提供する。
図3に示すように、共振電力送信装置100は複数の共振電力受信装置200a、200b、200cに共振電力を送信する。図3に示す例のように、複数の共振電力受信装置200a、200b、200cが存在する環境を「1:N充電環境」と称する。「1:N充電環境」は、複数の共振電力受信装置200a、200b、200c間の干渉、複数の共振電力受信装置200a、200b、200cの何れか1つが除去されるか、又は、新規な装置が追加される場合に電力送信の効率が落ちる場合がある。従って、共振電力受信装置各々を考慮した共振電力送信制御方法が必要である。図3において、301、303、305及び307は共振器間の電磁結合を示す。
図4を参考にすると、共振電力送信装置100は、共振周波数がF1、F2、...、FNの順に可変共振電力を複数の共振電力受信装置200a、200b、200cに送信する。共振電力送信装置100は、複数の共振電力受信装置200a、200b、200c各々に順序を付与した後、ステップ410において、第1共振電力受信装置200aに共振周波数がF1、F2、...、FNの順に可変共振電力を送信する。共振電力送信装置100は、第1共振電力受信装置200aから第1応答を受信した後、ステップ420において、第2共振電力受信装置200bに共振周波数がF1、F2、...、FNの順に可変共振電力を送信する。ここで、「第1応答」はF1、F2、...、FNのうち電力送信効率が最も優れる共振周波数に関する情報を含む。また、「第1応答」は第1共振電力受信装置200aの識別子をさらに含み得る。
図5を参照すると、共振電力送信装置100は、ステップ510において、共振周波数がF1である共振電力を第1共振電力受信装置200aに送信する。図4に示す例と類似に、共振電力送信装置100は、第1共振電力受信装置200aから応答信号を受信した後、ステップ520において、共振周波数がF1である共振電力を第2共振電力受信装置200bに送信する。同様に、ステップ530は、第2共振電力受信装置200bから応答信号を受信した後行われ得る。ここで、応答信号は、「共振周波数がF1である共振電力の受信効率」又は「共振周波数がF1であるときの受信電力量」を含み得る。また、応答信号は、当該装置の識別子をさらに含み得る。F1に対する応答が完了した後、共振電力送信装置100はF2に対してステップ510〜ステップ530を行う。
図6を参照すると、共振電力送信装置100は、時間区間t1で共振周波数がF1である共振電力を共振電力受信装置200に送信する。同時に、共振電力送信装置100は、時間区間t1でデータ610を共振電力受信装置200に送信する。図6に示すように、データ610は、共振電力を生成するために用いられた「共振周波数F1」及び「当該共振電力の電力量」に関する情報を含む。図6において620は、時間区間t2で共振電力受信装置200に送信されるデータを示す。
図7を参照すると、共振電力受信装置200は、共振周波数F1、F2、...、FN各々に対応する受信電力量720を検出し、F1、F2、...、FN各々に対応する効率を算出する。図7に示す例において、電力送信効率が最も優れる共振周波数は例えば、F3である。共振電力受信装置200は、F1、F2、...、FN各々に対応する効率を共振電力送信装置100に送信する。一側面において、共振電力受信装置200は、F1、F2...FN各々に対応する効率を算出せず、受信電力量720のみを共振電力送信装置100に送信し得る。
図8を参照すると、共振電力送信に用いられる共振周波数は任意にホッピングされる。即ち、例えば、共振周波数はF1、F2、...、FNの順に可変されることなく、F1、F3、F6の順に可変される。ステップ810において、共振電力送信装置は、共振周波数F1を用いて共振電力を共振電力受信装置に送信する。また、ステップ810において、共振電力送信装置はF1に関する情報及び電力量に関する情報を共振電力受信装置に送信する。ステップ820は、共振周波数F3に対してステップ810と同じ動作を行うことを示す。また、ステップ840は、共振周波数F6に対してステップ810と同じ動作を行うことを示す。ステップ830は、共振電力受信装置から電力送信効率又は受信電力量に関する情報を共振電力送信装置に送信することを示す。
図10に示された方法は、図1に示す共振電力送信装置100によって行われるとする。
ステップ1060において、共振電力送信装置100は、前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して生成された共振電力を前記共振電力受信装置に送信する。
図11に示す方法は、図1に示す共振電力送信装置100によって行われるとする。
図12におけるステップ1210〜ステップ1260は図11に示されたステップ1110〜ステップ1160と同じプロセスを有する。従って、ステップ1210〜ステップ1260の詳細な説明は省略する。
前記第1共振電力受信装置の充電が完了すると、ステップ1290において、共振電力送信装置100は前記Fs2を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs2を用いて生成された共振電力を前記第2共振電力受信装置に送信する。
図13におけるステップ1310〜ステップ1360は図11に示されたステップ1110〜ステップ1160と同じプロセスである。従って、ステップ1310〜ステップ1360の詳細な説明は省略する。
図14及び図15は、共振電力受信装置200a、200bからFs1及びFs2を受信した後の、共振電力の送信例を示す。
自然界に存在する多くの物質の電磁気的な特性は、固有の透磁率(permeability、μ(mu))及び誘電率(permittivity、ε(epsilon))で表わされる。
透磁率は当該物質で与えられた磁界(magnetic field)に対して発生する磁束密度(magnetic flux density)と真空中で同じ磁界に対して発生する磁束密度の比を意味する。そして、誘電率は、当該物質で与えられた電界(electric field)に対して発生する電束密度(electric flux density)と真空中でその電界に対して発生する電束密度の比を意味する。
透磁率及び誘電率は与えられた周波数又は波長における当該物質中の電波伝搬定数(propagation constant)を決定し、透磁率及び誘電率によってその物質の電磁気特性が決定される。
特に、自然界に存在しない誘電率又は透磁率を有し、人工的に設計された物質をメタ物質といい、メタ物質は極めて大きい波長(wavelength)、即ち、極めて低い周波数領域でも容易に(即ち、メタ物質からなる物体のサイズを大きく変更することなく)共振状態に置かれ得る。
一実施形態に係る共振器を構成する1つ以上の物質は、後述するようにこのメタ物質である。
図16を参照すれば、一実施形態に係る2次元構造の共振器1600は、第1信号導体部分1611、第2信号導体部分1612、及びグラウンド導体部分1613を含む送信線路、キャパシタ1620、整合器1630、及び導体1641、1642を備える。
一方、メタ物質は、自然界で存在しない誘電率及び/又は透磁率を有する物質であって、誘電率又は透磁率の符号によってENG(epsilon negative、負のε)物質、MNG(mu negative、負のμ)物質、DNG(double negative、εとμが共に負)物質、NRI(negative refractive index、負の屈折率)物質、LH(left−handed、左手系)物質などに分類される。
図17を参照すれば、一実施形態に係る3次元構造の共振器1700は、第1信号導体部分1711、第2信号導体部分1712、及びグラウンド導体部分1713を含む送信線路、並びにキャパシタ1720を含む。ここで、キャパシタ1720は、送信線路で第1信号導体部分1711と第2信号導体部分1712との間の位置に直列に挿入され、電界はキャパシタ1720に閉じ込められる。
例えば、集中型素子として挿入されたキャパシタ1720のキャパシタンスが適切に決定されれば、前記共振器1700はメタ物質の特性を有する。特に、キャパシタ1720のキャパシタンスを適切に調整することによって、共振器1700が特定の周波数帯域において負の透磁率を有する場合、本発明の一実施形態に係る共振器1700はMNG共振器と呼ばれる。
下記で説明するが、キャパシタ1720のキャパシタンスを定める基準は様々であり得る。共振器1700がメタ物質の特性を有する基準、共振器1700が対象周波数で負の透磁率を有する基準、又は共振器1700が対象周波数で第ゼロ次共振の特性を有する基準などがあり、上述した基準のうち少なくとも1つの基準下でキャパシタ1720のキャパシタンスが決定される。
以下、別途の継ぎ目なしで一体型に2以上の部分(parts)を互いに接続する類型を「バルキー型」と呼ぶ。
図18を参照すれば、第1信号導体部分1811と導体1842は個別的に製造された後で互いに接続されるのではなく、一体型に製造される。同様に、第2信号導体部分1812と導体1841も一体型に製造される。
図19を参照すれば、中空型に設計された無線電力送信のための共振器の第1信号導体部分1911、第2信号導体部分1912、グラウンド導体部分1913、導体1941、1942各々は内部に空いている空間を含む。
によって決定される。ここで、fは周波数、μは透磁率、σは導体定数を表す。特に、第1信号導体部分1911、第2信号導体部分1912、グラウンド導体部分1913、導体1941、及び1942が全て銅(copper)製として5.8x10^7の導電率σを有する場合、共振周波数が10kHzについては表皮厚dが約0.6mmとなり、共振周波数が100MHzについては表皮厚dは0.006mmである。
図20を参照すれば、パラレルシートが適用された無線電力送信のための共振器に含まれた第1信号導体部分2011、第2信号導体部分2012各々の表面にはパラレルシートが適用される。
図21を参照すれば、無線電力送信のための共振器に含まれるキャパシタ2120は分布型キャパシタである。集中型素子としてのキャパシタは相対的に高い等価直列抵抗(Equivalent Series Resistance、ESR)を有し得る。集中型素子としてのキャパシタが有するESRを減らすためには様々な提案があるが、本発明の実施形態は分布型素子としてのキャパシタ2120を用いることによってESRを低減する。参考に、ESRによる損失はQファクター及びカップリング効率を低下する。
図22(A)は整合器1630を含む図16に示された2次元共振器の一部を示し、図22(B)は整合器1730を含む図17に示された3次元共振器の一部を示す。
図16に示した無線電力送信のための共振器は、図23に示した等価回路でモデリングされる。図23に示す等価回路でCLは図16に示す電力送信線路の中間部に集中型素子の形態に挿入されたキャパシタを示し、LRは電力送信ラインのインダクタンスを示し、CRは電力送信ライン及び/又はグラウンド間のキャパシタンスを示す。
110 ソース共振器
120 検出部
130 共振電力生成部
140 ソース制御部
141 周波数分析部
143 周波数スキャニングテーブル
145 プロセッサ
150 通信部
160 整流部
170 定電圧制御部
200、200a、200b、200c 共振電力受信装置
210 ターゲット共振器
220 通信部
230 ターゲット制御部
231 受信電力スキャン部
233 プロセッサ
240 整流部
250 DC/DCコンバータ
260 負荷(load)
301、303、305、307 共振器間の電磁結合
1600、1700、1800、1900、2000、2100 共振器
1611、1711、1811、1911、2011 第1信号導体部分
1612、1712、1812、1912、2012 第2信号導体部分
1613、1713、1813、1913、2013 グラウンド導体部分
1620、1720、1820、1920、2020、2120 キャパシタ
1630、1730、1830、1930 整合器
1631、1632、1633、1731、1732、1733、1831 導体
1641、1741、1841、1941 導体
1642、1742、1842、1942 導体
1740 コネクタ
1050 継ぎ目
1960、2070 共振器の円で囲んだ部分
Claims (20)
- 共振電力送信装置の共振電力送信制御方法において、
共振電力受信装置を検出するステップと、
前記検出された共振電力受信装置に共振電力を送信(前記共振電力の共振周波数は予め設定された時間区間各々で可変される)するステップと、
前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数及び前記予め設定された時間区間各々で送信される共振電力の電力量を前記検出された共振電力受信装置に通知するステップと、
前記検出された共振電力受信装置から前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数を受信するステップと、
を含むことを特徴とする共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記共振電力受信装置を検出するステップは、
前記共振電力受信装置の識別子を受信するステップと、
前記識別子に基づいて前記共振電力受信装置を認知するステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して前記共振電力を生成するステップと、
前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して生成された共振電力を前記共振電力受信装置に送信するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数各々は、反射波の周波数特性スキャニングによって決定されるか、一定幅のチャネルを基準として決定されるか、又は、予め設定された帯域幅内でランダムに決定されることを特徴とする請求項1に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。
- 共振電力送信装置の共振電力送信制御方法において、
複数の共振電力受信装置を検出するステップと、
前記複数の共振電力受信装置各々に順序を付与するステップと、
前記付与された順序に応じて第1共振電力受信装置に共振電力を送信(前記共振電力の共振周波数は予め設定された時間区間各々で可変される)するステップと、
前記第1共振電力受信装置から前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数Fs1を受信するステップと、
前記付与された順序に応じて第2共振電力受信装置に共振電力を送信(前記共振電力の共振周波数は予め設定された時間区間各々で可変される)するステップと、
前記第2共振電力受信装置から前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数Fs2を受信するステップと、
を含むことを特徴とする共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記複数の共振電力受信装置を検出するステップは、
前記複数の共振電力受信装置各々の識別子を受信するステップと、
前記受信された識別子に基づいて前記複数の共振電力受信装置を認識するステップと、
を含むことを特徴とする請求項5に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記Fs1を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs1を用いて生成された共振電力を第1時間区間で前記第1共振電力送信装置に送信するステップと、
前記Fs2を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs2を用いて生成された共振電力を第2時間区間で前記第2共振電力送信装置に送信するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記Fs1を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs1を用いて生成された共振電力を前記第1共振電力送信装置に送信するステップと、
前記第1共振電力送信装置の充電完了の可否を判断するステップと、
前記第1共振電力送信装置の充電が完了すると、前記Fs2を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs2を用いて生成された共振電力を前記第2共振電力送信装置に送信するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記Fs1を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs1を用いて生成された共振電力を前記第1共振電力送信装置に送信するステップと、
前記第1共振電力送信装置から予め設定された時間内に報告メッセージが受信されるかを判断するステップと、
前記第1共振電力送信装置から予め設定された時間内に報告メッセージが受信されなければ、前記Fs2を用いて前記共振電力を生成し、前記Fs2を用いて生成された共振電力を前記第2共振電力送信装置に送信するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。 - 前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数の各々は、反射波の周波数特性スキャニングによって決定されるか、一定幅のチャネルを基準として決定されるか、又は、予め設定された帯域幅内でランダムに決定されることを特徴とする請求項5に記載の共振電力送信装置の共振電力送信制御方法。
- 共振電力受信装置の共振電力受信制御方法において、
共振電力送信装置に前記共振電力受信装置の識別子を送信するステップと、
前記共振電力送信装置から共振電力を受信(前記共振電力の共振周波数は予め設定された時間区間各々で可変される)するステップと、
前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数に関する情報及び前記予め設定された時間区間各々で送信される共振電力の電力量に関する情報を受信するステップと、
前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち電力送信効率が最も優れる共振周波数を検出するステップと、
前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち電力送信効率が最も優れる共振周波数を前記共振電力送信装置に通知するステップと、
を含むことを特徴とする共振電力受信装置の共振電力受信制御方法。 - 前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して生成された共振電力を前記共振電力送信装置から受信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の共振電力受信装置の共振電力受信制御方法。
- 前記共振電力受信装置の充電完了の如何を確認するステップと、
前記共振電力受信装置の充電が完了すると、前記共振電力送信装置に充電が完了したことを通知するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の共振電力受信装置の共振電力受信制御方法。 - ターゲット共振器との電磁結合によって共振電力を共振電力受信装置に送信するソース共振器と、
前記共振電力受信装置を検出する検出部と、
ソース制御部の制御により前記共振電力を生成する共振電力生成部と、
前記共振電力の共振周波数が予め設定された時間区間各々で可変されるように前記共振電力生成部を制御するソース制御部と、
前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数及び前記予め設定された時間区間各々で送信される共振電力の電力量を前記共振電力受信装置に送信し、前記共振電力受信装置から前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数を受信する通信部と、
を備えることを特徴とする共振電力送信装置。 - 前記検出部は、前記共振電力受信装置から受信された識別子に基づいて前記共振電力受信装置を検出することを特徴とする請求項14に記載の共振電力送信装置。
- 前記共振電力生成部は、前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して前記共振電力を生成し、
前記ソース共振器は、前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して生成された共振電力を前記共振電力受信装置に送信することを特徴とする請求項14に記載の共振電力送信装置。 - 前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数の各々は、反射波の周波数特性をスキャニングして決定されたり、一定幅のチャネルを基準として決定されたり、又は、予め設定された帯域幅で任意に決定されることを特徴とする請求項14に記載の共振電力送信装置。
- ソース共振器との電磁結合によって共振電力送信装置から共振電力を受信(前記共振電力の共振周波数は予め設定された時間区間各々で可変される)するターゲット共振器と、
前記共振電力送信装置に識別子を送信し、前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数に関する情報及び前記予め設定された時間区間各々で送信される共振電力の電力量に関する情報を受信する通信部と、
前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数を検出するターゲット制御部と、
を備え、
前記通信部は、前記予め設定された時間区間各々で用いられた共振周波数のうち、電力送信効率が最も優れる共振周波数を前記共振電力送信装置に送信することを特徴とする共振電力受信装置。 - 前記ターゲット共振器は、前記電力送信効率が最も優れる共振周波数を使用して生成された共振電力を前記共振電力送信装置から受信することを特徴とする請求項18に記載の共振電力受信装置。
- 前記ターゲット制御部は、前記共振電力受信装置の充電が完了すると、前記共振電力送信装置に充電が完了したことを通知することを特徴とする請求項18に記載の共振電力受信装置。
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