JP2015171316A - 無線電力における磁場分布 - Google Patents

Abstract

【課題】無線充電コンポーネントと関連付けられた磁場の所望の分布を達成する。
【解決手段】磁場分布の技術がここで説明される。その技術は、磁場を発生させる駆動電流を受け取るための駆動コイルを含む無線充電コンポーネントを形成することを含む。無給電コイルの外側巻き線であって、駆動コイルに隣接した外側巻き線が形成され得る。無給電コイルの内側巻き線が形成され得るとともに、ここで駆動コイルと無給電コイルとの間の誘導結合が磁場の一部分の内側巻き線における再分布を発生させる。
【選択図】図２

Description

本開示は、一般に、無線充電のための技術に関する。具体的には、この開示は、無線充電コンポーネントと関連付けられた磁場の所望の分布を達成することに関する。

磁界共鳴方式無線充電（Magnetic resonance wireless charging）は、送信（Ｔｘ）コイルと受信（Ｒｘ）コイルとの間の磁気結合を利用し得る。

これらの種類の無線充電システムにおいて見られる共通の課題は、Ｔｘコイル表面の平面に平行な平面における様々な配置へＲｘコイルが動かされることによる、Ｒｘコイルに供給される電力の非一様分布である。このシナリオでは、Ｒｘコイルで受け取られる非一様電力分布は、非一様の磁場が原因であり得る。Ｔｘコイル及びＲｘコイルが互いにより近い場合、磁場の変化はとりわけ顕著であり得る。

駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する送信コイルに無線で結合されるデバイスを例示する図解の斜視図である。 図１Ａの送信コイルに関する座標系である。 無給電コイル及び駆動コイルを有する無線送信コンポーネントを例示する図解の平面図である。 駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する無線充電コイルを例示する図解の平面図である。 多重の巻き線を含む駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する無線充電コイルを例示する図解の平面図である。 複数の駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する無線充電コイルを例示する図解の斜視図である。 無給電コイルを備えていない無線充電コンポーネントの磁場と比較した磁場の実質的に均一な分布を例示するグラフである。 多重の巻き線を有し、無給電コイルを備えていない無線コンポーネントの磁場と比較した磁場の実質的に均一な分布を例示するグラフである。 同調素子を有する一例の無給電コイルを例示する図である。 無線充電コンポーネントを形成するための方法を例示するフローチャートである。

同じ構成要素及び機構を参照するために、本開示及び図面を通して、同じ参照符号が使用される。１００番台における数字は、図１において最初に見出される特徴を参照し、２００番台における数字は、図２において最初に見出される特徴を参照する、などのようである。

本開示は、一般に、無線電力伝送システムにおける磁場のある種の分布を生み出すための技術に関する。上記で論じられたように、磁界共鳴方式無線充電システムは、送信（Ｔｘ）コイルと受信（Ｒｘ）コイルとの間の磁気結合を利用し得る。例えば、非一様電力伝送分布は、Ｔｘコイルと関連付けられた磁場において発生する変動が原因であり得る。ここで説明された技術は、駆動コイルと無給電コイルとを含み、ここで無給電コイルは、駆動コイルに誘導結合するとともに、無給電コイルの幾可学的形状に基づく配置にコイルと関連付けられた磁場を再分布するように構成される。

図１Ａは、無給電コイル及び駆動コイルを有する送信コイルに無線で結合されるデバイスを例示する図解の斜視図である。図１において例示されたように、デバイス１０２は、Ｔｘコイル１０４の上に置かれ得る。そのＴｘコイルは、駆動コイル１０６及び１つ又は複数の無給電コイル１０８を含み得る。下記で更に詳細に論じられるように、Ｔｘコイル１０４は、駆動コイル１０６に注入された電流と関連付けられた磁場を有し得る。無給電コイル１０８は、無給電コイルの幅に基づく設定可能な方法で磁場を再分布し得る。

いくらかの態様において、無線Ｔｘコイル１０４は、デバイス１０２がＴｘコイル１０４とデバイス１０２内のＲｘコイル（図示せず）との間の誘導結合によって充電され得る、無線充電システムにおいて使用され得る。いくらかの態様において、無線Ｔｘコイル１０４は、Ｔｘコイル１０４が磁気誘導によってデバイス１０２内のＲｘコイルに近距離無線信号を送信する、近距離無線通信において使用され得る。

図１Ｂは、図１Ａの送信コイルに関する座標系である。“Ｚ”方向は、Ｔｘコイル１０４の水平面に垂直であるとともに、図１Ｂで示された“Ｒ”方向に垂直である。変数“ｒ”は、Ｔｘコイル１０４の中心点からＲｘコイル１１０までの水平面内の距離を表すスカラー数であり、一方、変数“ａ”は、Ｔｘコイル１０４の半径である。変数“ｚ”は、Ｒｘコイル１１０とＴｘコイル１０４との間の“Ｚ”方向における距離を表すスカラー数である。Ｒｘコイル１１０によって受け取られるＺ方向の磁場は、“Ｈ_ｚ”によって表されるとともに、図１において示されたように、Ｔｘコイル１０４の中心点からＲｘコイル１１０までの距離の関数になる。Ｈ_ｚの変動は、Ｒｘコイル１１０で受け取られる電力における変動になり得る。ここで説明された態様において、磁場Ｈ_ｚは、下記で更に詳細に論じられるように無給電コイル１０８によって再分布され得る。

図２は、無給電コイル及び駆動コイルを有する無線送信コンポーネントを例示する図解の平面図である。図２の無線送信コンポーネントは、図１におけるＴｘコイル１０４のようなＴｘコイルであり得る。図１において例示されたように、Ｔｘコイル１０４は、駆動コイル１０６及び無給電コイル１０８を含む。駆動コイル１０６は、矢印２０２によって示されたように第１の方向に伝播する電流“Ｉ_０”によって駆動され得る。無給電コイル１０８は、外側巻き線２０４及び内側巻き線２０６を含み得る。外側巻き線２０４は、電流Ｉ_０によって駆動コイル１０６に誘導結合し得る。駆動コイル１０６と外側巻き線２０４との間の誘導結合は、矢印２０８によって示されたように、駆動電流Ｉ_０の方向２０２と反対の方向に伝播する電流“αＩ_０”をもたらし得る。電流“αＩ_０”が無給電コイルの内側巻き線２０６に伝わるので、矢印２１０によって示されたように、その電流は、駆動電流Ｉ_０の方向と同様な方向で伝播している。このシナリオでは、αは、方向２１０に伝わる電流αＩ_０と関連付けられた結果として生じる磁場がオリジナルの駆動電流Ｉ_０の分数であるような、分数である。αの大きさは、図２において符号２１２で示された無給電コイルの幅と関係している。例えば、無給電コイルの幅２１２は、外側巻き線２０４の半径２１４と内側巻き線２１８の半径２１６との間の差によって定義され得る。図２が１つの無給電コイル１０８及び１つの駆動コイル１０６を例示する一方、下記で更に詳細に論じられるように、複数の無給電コイルが駆動コイルの磁場を更に再分布するために使用され得る。

図３は、駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する無線充電コイルを例示する図解の平面図である。駆動コイル１０６と関連付けられた電流は、無給電コイル１０８の他に追加の無給電コイル３０３、３０４、３０６によって再分布され得る。図３において例示されたように、駆動コイル１０６は、半径３１０を有し得るとともに、無給電コイル１０８の内側巻き線は、半径３１２を有し得る。半径３１２は、磁場の所望の分布、又は言い換えれば駆動コイル１０６と関連付けられた磁場の所望の再分布に基づいて選択され得る。同様に、無給電コイル３０３の内側巻き線の半径３１４の他にそれぞれ無給電コイル３０４、３０６の半径３１６及び３１８が、それらの半径が順に短くなるように、磁場の所望の分布に基づいて選択され得る。

本開示の態様では、駆動コイル１０６及び無給電コイル１０８は、コイルの中心点に対して同心である。しかしながら、コイル１０６及び１０８は必ずしも同心であるとは限らず、所望の磁場分布に基づくあらゆる適切な配置によって実施され得る。態様では、図６に関して下記で更に詳細に論じられるように、磁場の所望の分布は、無給電コイルを含まないＴｘコイルと関連付けられた分布と比較すると実質的に均一な分布を発生させる。例えば、半径３１２、３１４、３１６、３１８は、駆動コイル１０６の半径３１０のそれぞれ「０．８」、「０．６」、「０．４」、及び「０．２」のような分数であり得る。無給電コイル１０８、３０３、３０４、及び３０６の各内側巻き線は、それぞれ「０．２１Ｉ_０」、「０．１７Ｉ_０」、「０．１Ｉ_０」、「０．０５Ｉ_０」になり得る。このシナリオでは、無給電コイルの各内側巻き線において結果として生じる電流は、オリジナルの駆動電流Ｉ_０の再分布を反映するとともに、磁場を効果的に均等に分布し、したがって受信コイルに電力をより均等に伝送する。

図４は、多重の巻き線を含む駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する無線充電コイルを例示する図解の平面図である。図４において例示される無線充電コイル４００は、破線の円４０２によって示されたように、多重の巻き線を有する駆動コイルを含む。この態様において、無線充電コイル４００は、第１の無給電コイル４０４、及び第２の無給電コイル４０６を含み得る。ここで説明された態様において、無給電コイルは、形が円である必要はない。例えば、図４において例示されたように、駆動コイル４０２の他に無給電コイル４０４、４０６は、形が完全な円ではなく、より卵形である。他の形が、所望の分布で磁場を分布するために、所定の設計に従って実施され得る。

図５は、複数の駆動コイル及び複数の無給電コイルを有する無線充電コイルを例示する図解の斜視図である。図５において例示されたように、ここで説明された態様は、単一の駆動コイルに限定されない。それどころか、複数の駆動コイル５０２が使用され得る。１つ又は複数の無給電コイル５０４、５０６、５０８、５１０が、複数の駆動コイル５０２の磁場を再分布するために使用され得る。態様では、複数の駆動コイル５０２は、Ｔｘコイルの設計の融通性を可能にするように、そしてコイルのインダクタンスを選択する際に、同様な半径又は様々な半径を有して選択的に実施され得る。

図６は、無給電コイルを備えていない無線充電コンポーネントの磁場と比較した磁場の実質的に均一な分布を例示するグラフである。上記で論じられたように、ここで説明された態様は、駆動コイルの磁場の再分布を含み得る。グラフ６００は、無給電コイルが駆動コイルと関連付けられた磁場を再分布するために使用される場合の磁場の分布６０２を例示する。分布６０２と比較すると、コイルが図１から図５を参照して上記で論じられた無給電コイルのような無給電素子を含まない場合の分布６０４は相対的により均一ではない。

図７は、多重の巻き線を有し、無給電コイルを備えていない無線コンポーネントの磁場と比較した磁場の実質的に均一な分布を例示するグラフである。上記で論じられたように、ここで説明された態様は、駆動コイルの磁場の再分布を含み得る。グラフ７００は、駆動コイル内に多重の巻き線を有するとともに、１つ又は複数の無給電コイルを有する無線コンポーネント７０２を例示する。無線コンポーネント７０２の磁場分布は、線７０４によって示される。図７において例示されたように、多重の巻き線を有するが１つ又は複数の無給電コイルを有していない無線コンポーネント７０６は、線７０８によって示される磁場分布を有し、線７０８によって示される磁場分布は、分布７０４より、大きさの点から見てより多くの変動を含む。

図８は、同調素子を有する一例の無給電コイルを例示する図である。無給電コイル８０２は、同調素子８０４を含み得る。図８において例示されたように、同調素子８０４は、キャパシタであり得る。態様において、同調素子８０４は、無給電コイル上の電流の同調柔軟性を可能にするように構成され得る。例えば、無給電コイル８０２は、駆動コイルの共振周波数において、又は駆動コイルの共振周波数の近傍で活性化され得る。駆動コイルの共振周波数に、又は駆動コイルの共振周波数の近傍に無給電コイル８０２を同調することは、駆動コイルの電流の再分布において、更に多くの柔軟性を達成し得る。図８において例示された態様は、ここで説明された態様のあらゆる組み合わせにおいて実施され得る。

図９は、無線充電コンポーネントを形成するための方法を例示するフローチャートである。方法９００は、ブロック９０２において駆動コイルを形成すること含み得る。駆動コイルは、磁場をもたらす駆動電流を受け取るように構成され得る。無給電コイルが、同様に形成され得る。ブロック９０４において、無給電コイルの外側巻き線が形成され、ここで外側巻き線は駆動コイルに隣接する。ブロック９０６において内側巻き線が形成され、ここで外側巻き線における駆動コイルと無給電コイルとの間の誘導結合が磁場の一部分の内側巻き線における再分布を発生させる。

上記で論じられたように、無給電コイルの内側巻き線に再分布される磁場の一部分は、外側巻き線と内側巻き線との間の距離に基づき得る。したがって、いくらかの態様において、再分布可能である一部分は、距離に基づいて設定可能であり、無給電コイルは、所望の磁場分布プロファイルに基づいて形成され得る。例えば、磁場分布と関連付けられた実質的に均一な電力分布が達成されるように、図６を参照して上記で論じられた分布６０２のような実質的に均一な分布が要求され得る。態様において、実質的に均一な電力分布は、送信コイルと比較した受信コイルの配置に対して無線充電が相対的にあいまいであることを可能にし得る。

本明細書に記載された及び例示された構成要素、特徴、構造、特性等の全てが、ある特定の態様又は複数の態様に含まれている必要はない。明細書で、ある構成要素、特徴、構造、又は特性を、例えば、「含まれ得る（ｍａｙ）」、「含まれる場合がある（ｍｉｇｈｔ）」、「含まれることができる（ｃａｎ）」、又は「含まれることもあり得る（ｃｏｕｌｄ）」と記載されている場合には、その特定の構成要素、特徴、構造、又は特性は、必ずしも含まれている必要がない。明細書又は特許請求の範囲が単数の要素に言及する場合、それはその要素が一つだけあることを意味していない。明細書又は特許請求の範囲が「さらなる」要素に言及する場合、それはそのさらなる要素が二つ以上あることを排除しない。

いくらかの態様が特定の実装例を参照して説明されたが、いくらかの態様に従って他の実装例が可能であることに留意するべきである。さらに、図において例示され及び／又はここで説明された回路素子あるいは他の特徴の配置及び／又は順序は、必ずしも例示されそして説明された方法で配置される必要はない。多くの他の配置がいくらかの態様に従って可能である。

図面に表された各システムにおいて、いくらかの場合の要素は、表された要素が異なっている及び／又は類似していることもあり得るということを意味するために、同じ参照符号又は異なる参照符号を、それぞれ有し得る。しかしながら、要素は、異なる実装例を有するのに十分に柔軟であり得るとともに、ここで表され又は説明されたシステムのいくらか、又は全てを用いて動作し得る。図面において表された様々な要素は、同一であるか、又は異なる可能性がある。どの１つが第１の要素として参照され、そしてどれが第２の要素と呼ばれるかは、任意である。

上述の例における詳細は、１つ又は複数の態様のどこにおいても使用され得るということが理解されるべきである。例えば、上記で説明されたコンピューティングデバイスの全ての任意選択機能は、同様に、ここで説明された方法又はコンピュータ読み取り可能な媒体のいずれに関しても実装され得る。さらに、フローチャート及び／又は状態図が態様を説明するためにここで使用されたかもしれないが、本技術は、それらの図又は本明細書における対応する説明に限定されない。例えば、フローは、各例示されたボックス又は状態を通して、あるいはここで例示されそして説明された順序と厳密に同じ順序で動作する必要はない。

本技術は、ここで記載された特定の詳細に限定されない。実際、この開示の利益を有する当業者は、前述の説明及び図からの多くの他の変形が本技術の範囲内で作成され得るということを認識することになる。したがって、それは本技術の範囲を定義するあらゆる変更を含む添付の特許請求の範囲になる。

１０２ デバイス
１０４ Ｔｘコイル
１０６ 駆動コイル
１０８ 無給電コイル
１１０ Ｒｘコイル
２１２ 無給電コイルの幅
２１４ 外側巻き線の半径
２１６ 内側巻き線の半径
３０３、３０４、３０６ 無給電コイル
３１０ 駆動コイルの半径
３１２ 無給電コイル１０８の内側巻き線の半径
３１４ 無給電コイル３０３の内側巻き線の半径
３１６ 無給電コイル３０４の内側巻き線の半径
３１８ 無給電コイル３０６の内側巻き線の半径
４００ 無線充電コイル
４０４ 第１の無給電コイル
４０６ 第２の無給電コイル
５０２ 複数の駆動コイル
５０４、５０６、５０８、５１０ 無給電コイル
６０２、６０４ 磁場の分布
７０４、７０８ 磁場の分布
７０２、７０６ 無線コンポーネント
８０２ 無給電コイル
８０４ 同調素子

Claims (25)

1. 無線コンポーネントを形成する方法であって、
   磁場をもたらす駆動電流を受け取るための駆動手段を形成する段階と、
   無給電手段の外側巻き線であって、前記駆動手段に隣接した前記外側巻き線を形成する段階と、
   前記無給電手段の内側巻き線を形成する段階とを含み、
   前記駆動手段と前記無給電手段との間の誘導結合が、前記磁場の一部分の前記内側巻き線における再分布をもたらす、方法。
2. 前記駆動手段の磁場の前記一部分の前記再分布が、前記無給電手段の前記外側巻き線と前記内側巻き線との間の距離に基づいている、請求項１に記載の方法。
3. 前記誘導結合が、前記駆動手段における前記電流の方向と反対の方向に伝播する前記無給電手段の前記外側巻き線における電流をもたらす、請求項１若しくは請求項２のいずれか一項又はこれらの請求項の組み合わせに記載の方法。
4. 前記無給電手段が第１の無給電手段であり、当該方法が、前記磁場を更に再分布するための第２の無給電手段を形成する段階を含む、請求項１若しくは請求項２のいずれか一項又はこれらの請求項の組み合わせに記載の方法。
5. 前記駆動手段が、多重の巻き線を備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の無給電手段の半径が前記駆動手段の半径より小さく、前記第２の無給電手段の半径が前記第１の無給電手段の半径より小さい、請求項４若しくは請求項５のいずれか一項又はこれらの請求項の組み合わせに記載の方法。
7. 前記磁場の分布が、前記駆動手段と比較した前記無給電手段の配置に基づいて設定可能である、請求項１から請求項６のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の方法。
8. 前記磁場の前記再分布が、無給電手段に隣接しない駆動手段と比較して相対的に均一な磁場の分布になる、請求項１から請求項７のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の方法。
9. 前記磁場の前記再分布が、前記無給電手段に対する前記駆動手段の相対的な配置に基づいて設定可能である、請求項１から請求項８のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の方法。
10. 前記無給電手段が、
    円形の無給電手段、
    非円形の無給電手段、又は
    これら無給電手段のあらゆる組み合わせを含む、請求項１から請求項９のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の方法。
11. 前記無給電手段の同調柔軟性を可能にするために、前記無給電手段における同調素子を形成する段階を含む、請求項１から請求項１０のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の方法。
12. 無線コンポーネントであって、
    磁場をもたらす駆動電流を受け取るための駆動手段と、
    無給電手段の外側巻き線であって、前記駆動手段に隣接した前記外側巻き線と、
    前記無給電手段の内側巻き線とを含み、
    前記駆動手段と前記無給電手段との間の誘導結合が、前記磁場の一部分の前記内側巻き線における再分布をもたらす、無線コンポーネント。
13. 前記無給電手段の前記外側巻き線と前記内側巻き線との間に距離を有し、前記駆動手段の磁場の前記一部分の前記再分布が、前記距離に基づいている、請求項１２に記載の無線コンポーネント。
14. 前記誘導結合が、前記駆動手段における前記電流の方向と反対の方向に伝播する前記無給電手段の前記外側巻き線における電流をもたらす、請求項１２若しくは請求項１３のいずれか一項又はこれらの請求項の組み合わせに記載の無線コンポーネント。
15. 前記無給電手段が第１の無給電手段であり、当該無線コンポーネントが、前記磁場を更に再分布するための第２の無給電手段を含む、請求項１２から請求項１４のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線コンポーネント。
16. 前記第１の無給電手段の半径が前記駆動手段の半径より小さく、前記第２の無給電手段の半径が前記第１の無給電手段の半径より小さい、請求項１５に記載の無線コンポーネント。
17. 前記駆動手段及び前記無給電手段が、中心点に関して同心である、請求項１２から請求項１６のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線コンポーネント。
18. 前記磁場の分布が、前記駆動手段と比較した前記無給電手段の配置に基づいて設定可能である、請求項１２から請求項１７のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線コンポーネント。
19. 前記磁場の前記再分布が、無給電手段に隣接しない駆動手段と比較して相対的に均一な磁場の分布になる、請求項１２から請求項１８のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線コンポーネント。
20. 前記無給電手段の同調柔軟性を可能にするために、前記無給電手段における同調素子を含む、請求項１２から請求項１９のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線コンポーネント。
21. 前記磁場の前記再分布が、前記無給電手段に対する前記駆動手段の相対的な配置に基づいて設定可能である、請求項１２から請求項２０のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線コンポーネント。
22. 無線送信器であって、
    磁場をもたらす駆動電流を受け取るための駆動手段と、
    無給電手段の外側巻き線であって、前記外側巻き線が前記駆動手段に隣接し、前記駆動手段と前記外側巻き線との間の誘導結合が、前記駆動手段における前記電流の方向と反対の方向に伝播する前記外側巻き線における電流と、前記駆動手段における前記磁場の減少とをもたらす、前記外側巻き線と、
    前記外側巻き線からの前記電流を受け取るための前記無給電手段の内側巻き線であって、前記駆動電流と同じ方向に伝播する前記電流が前記駆動手段の前記磁場より小さい磁場をもたらすように前記内側巻き線が配置される、前記内側巻き線とを含む、無線送信器。
23. 前記無給電手段の前記外側巻き線と前記内側巻き線との間に距離を有し、前記内側巻き線の前記磁場の大きさが前記距離に比例する、請求項２２に記載の無線送信器。
24. 前記無給電手段が第１の無給電手段であり、前記第１の無給電手段より小さい第２の無給電手段を含む、請求項２２若しくは請求項２３のいずれか一項又はこれらの請求項の組み合わせに記載の無線送信器。
25. 前記駆動手段及び前記無給電手段が、中心点に関して同心である、請求項２２から請求項２４のいずれか一項又はこれらの請求項のいずれかの組み合わせに記載の無線送信器。

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