(57)【要約】      （修正有）【課題】効率のよいワイヤレス電力送信用アセンブリを提供する。【解決手段】ワイヤレス電力送信用アセンブリは、指定された周波数で実質的に共振するようなＬＣ定数を有する誘導ループ部としてのメインループ７００と容量部としてのコンデンサ７０２で形成される共振アンテナおよび電源に結合されるカップリングループ７１２で構成される。尚、前記コンデンサ７０２は、前記メインループ７００の遠位終端の間で接続される。また、メインループ７００、コンデンサ７０２、およびカップリングループ７１２の三者は架台上に取り付けられ、これら三者は一直線に並べておくことが可能である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定された周波数で磁気共振に同調される受信アンテナ部と、
少なくとも一つのモバイル電子部材と、
を具備し、
前記受信アンテナ部は、
回路基板と、
前記回路基板のエッジの近くおよび周りに伸び且つ前記回路基板の全体の距離のエッジの１０％の範囲内にアウター直径を有する、伝導ループと、
前記回路基板に結合される容量性構成と、
前記回路基板に結合される接続構成と、を含み、
前記少なくとも一つのモバイル電子部材は、
前記受信アンテナ部によってワイヤレスで受信され且つ前記接続に接続される、電源によって電力供給される、モバイルデバイスのための受信アンテナアセンブリ。
【請求項２】
前記伝導ループは、
伝導素材のシングルループのみを含む、請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】
前記伝導ループは、
互いに同心である伝導素材の複数のループを含み、
前記接続は、
前記回路基板のエッジに最も接近した前記ループの第１の部分と、前記回路基板の中心に最も接近した前記ループの第２の部分との間である、請求項１記載のアンテナ。
【請求項４】
前記容量性構成は、
前記回路基板に取り付けられた固定コンデンサを含む、請求項１記載のアンテナ。
【請求項５】
前記容量性構成は、
前記固定コンデンサと並列であり且つ前記回路基板に取り付けられた、可変コンデンサも含む、請求項１記載のアンテナ。
【請求項６】
前記受信部は、
１３．５６ＭＨｚの共振周波数に同調される、請求項１記載のアンテナ。
【請求項７】
前記受信することによって受信された信号を整流し、且つ前記電子部材にそこから電力を結合する、整流器を更に具備する、請求項１記載のアンテナ。
【請求項８】
回路基板と同じハウジング内にあり且つ前記アンテナによって電力供給されるように結合した、モバイルエレクトロニクスを更に具備する、請求項７記載のアンテナ。
【請求項９】
前記コンデンサが、
前記回路基板に取り付けられた可変コンデンサである、請求項１記載のアンテナアセンブリ。
【請求項１０】
指定された周波数の信号を受信する接続部と、
前記信号を受信するために結合された第１のカップリングループと、
誘導ループ部および容量部を有する第２の送信アンテナと、
を具備し、
前記誘導部および容量部は、
前記指定された周波数で実質的に共振するＬＣ定数を共に形作り、
前記容量部は、
前記ループ部の遠位終端の間で接続される、ワイヤレス電力送信アセンブリ。
【請求項１１】
前記容量部は、
第１および第２の平坦な接続部を有する外面を有するパッケージの中にある、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記アンテナの少なくとも一部で電流ホットスポットを最小化する前記カップリングループにおける構成を更に具備する、請求項１１記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記カップリングループおよび前記平坦な接続部の間を結合するフランジを更に具備する、請求項１２記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記フランジは、
前記カップリングループおよび前記平坦な接続部の間に平坦な表面を形作る、請求項１３記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記フランジは、
前記カップリングループおよび前記平坦な接続部の間に曲折した表面を形作る、請求項１３記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記電流を等しくするために前記電流ホットスポットの近くに少なくとも一つの同調構成を用いることを更に具備する、請求項１２記載のアセンブリ。
【請求項１７】
アンテナインダクタンスを形作るメインループを固定し、且つコンデンサをパッケージングする第１のスタンド部を具備し、
前記スタンド部は、
前記メインループから電気的に切断され、且つメインループよりも小さいカップリングループを固定する第２の部分を有し、
前記カップリングループへの電気的な接続を有する、アンテナ。
【請求項１８】
インダクタンスを定める丸いループの中に配置された伝導素材で形作られるメインループ部と、
全体のＬＣ値を形作るために前記丸いループに結合される容量部と、
そのインダクタンスを変更することによって、前記メインループの誘導的な同調を変更するために調整可能である同調部と、
を具備する、アンテナ。
【請求項１９】
前記同調部は、
前記メインループからより離れうる、および前記メインループにより接近しうる、コンデンサを含む、請求項１８記載のアンテナ。
【請求項２０】
前記同調部は、
前記メインループの少なくとも一部により接近して移動することができ、且つ前記メインループの少なくとも一部からより離れて移動することができる、非共振部を含む、請求項１８記載のアンテナ。
【請求項２１】
前記同調部は、
前記メインループの一部のみのインダクタンスを変更する、および、前記メインループにより接近して移動することができ、且つ前記メインループからより離れて移動することができる、部分を含む、請求項１８記載のアンテナ。
【請求項２２】
前記部分は、
前記ループ上で電流ホットスポットの近くに配置される、請求項２０記載のアンテナ。
【請求項２３】
前記アンテナは、
磁気周波数へ共振する、請求項１８記載のアンテナ。
【請求項２４】
前記アンテナは、
電力接続を含む、請求項２２記載のアンテナ。
【請求項２５】
低誘電体損失を備え、および２００×１０−６よりも小さい低タンジェントデルタを備える素材の前記回路基板を形作ることを更に具備する、請求項１記載のアンテナ。
【請求項２６】
前記回路基板は、
ＰＴＦＥで形作られる、請求項２４記載のアンテナ。
【請求項２７】
前記回路基板は、
高いＱ値の素材で形作られる、請求項１記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本願は、２００７年９月１３日出願の米国特許仮出願第６０／９７２，１９４号に対する優先権を主張し、開示の全趣旨が参照によってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
電磁界を導くために線の使用なしに、ソースから目的地に電気的なエネルギーを伝達することは望ましいことである。前述の試みの問題点は、導かれる電力の不十分な量に加えて低効率なことであった。
【０００３】
２００８年１月２２日出願の「ワイヤレス装置および方法」と題された、米国特許出願第１２／０１８，０６９を含んでいるが、これに限定されない我々の以前の出願および仮出願は参照によってここに組み込まれ、その開示の全内容は電力のワイヤレス伝導を記述する。
【０００４】
システムは、例えば、共振の５％、共振の１０％、共振の１５％、又は共振の２０％の範囲内でそれらの信号の周波数と概ね共振する、好ましくは共振アンテナとなるような送信および受信アンテナを用いることができる。アンテナは、アンテナのための利用可能な空間が制限されるかもしれないモバイルおよびハンドヘルドデバイスの中に取り付けることを可能にするために小さなサイズが好ましい。効率のよい電力伝達は、伝導電磁波の形をとって自由空間に電力を送るよりもむしろ送信アンテナのニアフィールドに電力を蓄積することによって、２つのアンテナ間で実行されてもよい。高品質係数を伴うアンテナが用いられてもよい。２つの高いＱ値のアンテナは、一方のアンテナがもう一方のアンテナに電力を誘導し、ゆるく結合された変圧器と同様に反応するような場所に配置される。アンテナは、好ましくは１０００以上であるＱ値を有する。
【０００５】
望ましい対象に適切にパッケージされうる／収められうるアンテナを用いることは重要である。例えば、２４インチの直径が必要であるアンテナは携帯電話における用途にはインコンペイタブルであろう。
【発明の概要】
【０００６】
本願は、ワイヤレス電力伝達のためのアンテナを記述する。例えば、より高いワイヤレス電力伝達効率等、より高い「Ｑ」値を有するアンテナに持たせるための様態が開示される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
これらおよびその他の態様は、添付図面を参照して詳細に記述されるであろう。
【図１】図１は、磁気波に基づくワイヤレス電力送信システムのブロック図を示す。
【図１Ａ】図１Ａは、長方形回路基板上に収めるように意図した受信機アンテナの基本的なブロック図を示す。
【図２】図２は、特定のマルチターンアンテナの特定の設計図を示す。
【図３】図３は、特定のマルチターンアンテナの特定の設計図を示す。
【図４】図４は、プリント回路基板上に形作ったストリップアンテナを示す。
【図５】図５は、プリント回路基板上に形作ったストリップアンテナを示す。
【図６】図６は、送信アンテナを例証する。
【図７】図７は、送信アンテナを例証する。
【図８】図８は、送信アンテナを例証する。
【図９】図９は、調整可能な同調部を示す。
【図１０】図１０は、可動環によって形作られた同調部を示す。
【図１１】図１１は、アンテナループに沿った電圧および電流配給を示す。
【図１２】図１２は、アンテナを形作るために用いられるフランジでの電流の配給を示す。
【図１３】図１３は、アンテナに従って用いられる特定のフランジを示す。
【図１４】図１４は、アンテナに従って用いられる特定のフランジを示す。
【図１５】図１５は、アンテナのための伝達効率を示す。
【図１６】図１６は、異なる送信機受信機組み合わせのための電力伝達を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
基本的な実施形態が図１に示される。電力送信機アセンブリ１００は、例えば、ＡＣプラグ１０２のようなソースから電力を受け取る。周波数ジェネレータ１０４は、ここでは共振アンテナであるアンテナ１１０にエネルギーを結合するように用いられる。アンテナ１１０は、高いＱ値の共振アンテナ部１１２に誘導的に結合される誘導ループ１１１を含む。共振アンテナは、半径ＲＡを有しているＮ巻きのコイルループ１１３を含む。ここに可変コンデンサとして示されるコンデンサ１１４は、共振ループを形作るコイル１１３と直列である。本実施形態において、コンデンサは、コイルとは完全に別々の構成であるが、ある実施形態では、コイルを形作る線のキャパシタンス自身が、コンデンサ１１４を形作ってもよい。
【０００９】
周波数ジェネレータ１０４は、好ましくはアンテナ１１０に同調されてもよいし、ＦＣＣ規格のために選択されてもよい。
【００１０】
本実施形態は多指向性アンテナを用いる。１１５は、全指向性における出力としてのエネルギーを示す。アンテナの出力の多くが電磁的に放射するエネルギーではなくむしろ変化のない磁界であるという意味では、アンテナ１００は非放射である。勿論、アンテナからの出力の一部は、実際には放射するであろう。
【００１１】
別の実施形態は、放射性アンテナを用いてもよい。
【００１２】
受信機１５０は、送信アンテナ１１０から距離Ｄ離れて配置される受信アンテナ１５５を含む。受信アンテナは、誘導カップリングループ１５２に結合される、コイル部およびコンデンサを有している高いＱ値の共振コイルアンテナ１５１である。カップリングループ１５２の出力は、整流器１６０で整流され、負荷に適用される。負荷は、例えば、白熱電球のような抵抗負荷、又は電気機具，コンピュータ，再充電可能なバッテリ，音楽再生器，あるいは自動車のような電子デバイス負荷等、任意のタイプの負荷であってもよい。
【００１３】
磁界カップリングが実施形態として主にここに記述されるが、エネルギーは電界カップリング又は磁界カップリングのどちらか一方によって伝達されてもよい。
【００１４】
電界カップリングは、開コンデンサ又は誘導性ディスクであるような、誘導的に負荷をかけられた電気双極子を提供する。外来の物体は、電界カップリング上で比較的強い影響を提供するかもしれない。磁界における外来の物体が「空の」空間と同じ磁性を有するので、磁界カップリングが好まれるかもしれない。
【００１５】
本実施形態は、容量性の負荷をかけられた磁気双極子を用いる磁界カップリングを記述する。このような双極子は、共振状態のアンテナに電気的に負荷をかけるコンデンサと直列に接続する、少なくとも一つのループ又はコイル巻線を形作る線ループで形作られる。
【００１６】
実施形態は１３．５６ＭＨｚで動作する２つのＬＣ共振アンテナを用いるワイヤレスエネルギー伝達を記述する。異なるアンテナがここに記述される。実施形態は、出願人が最善だと考えた異なる構成を記述した。一つの実施形態によれば、ポータブルデバイスに収めるように意図される受信アンテナよりも送信アンテナは大きくてもよい。
【００１７】
図１Ａは、受信機アンテナの第１のデザインを例証する。この第１のデザインは、回路基板上に形作られるように意図される長方形のアンテナである。図１Ａは、アンテナおよびその特徴を示す。受信機は、以下の式に従って、選択されうる。
【数１】
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【００１８】
ここで、Ｌはインダクタンス[Ｈ]であり、Ｎはターンの数[１]であり、ｗは長方形アンテナの平均幅[ｍ]であり、ｈは長方形アンテナの平均高さ[ｍ]であり、ｂは線半径[ｍ]であり、Ｃは外部キャパシタンス[Ｆ]（共振のための）であり、ｆはアンテナの共振周波数[Ｈｚ]であり、λは共振周波数の波長（ｃ／ｆ）[ｍ]であり、σは用いられた素材の伝導率（銅＝６・１０７）[Ｓ]であり、αは近接効果の影響（示されたアンテナに対して０．２５）[１]であり、Ｑはクオリティファクタ[１]である。
【００１９】
ＴがＷよりも遥かに小さい、又は、Ｔがほぼ零に等しいと仮定する。特定の特徴に応じて、これらの公式がある一定の近似値を生じてもよい。
【００２０】
図２は、「非常に小さい」とここに称される、受信機アンテナの第１の実施形態を示す。非常に小さな受信機アンテナは、例えば小さなモバイル電話、ＰＤＡ、又はｉＰｏｄのようなある種のメディアプレーヤデバイスに収めてもよい。一連の同心ループ２００は、回路基板２０２上に形作られる。ループは、約４０ｍｍ×９０ｍｍのワイヤスパイラルを形作る。第１および第２の可変コンデンサ２０５、２１０もアンテナの中に配置される。例えば、ＢＭＣコネクタのようなコネクタ２２０は、ループ２０２の終端を介して接続する。
【００２１】
非常に小さなアンテナは、７ターンを備える４０ｍｍ×９０ｍｍアンテナである。測定されたＱ値は、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で約３００である。このアンテナは、約３２ｐＦの測定されたキャパシタンスも有する。用いられる回路基板２０１の回路基板素材は、全般的なＱ値をもたらす、ＦＲ４（「フレームリターダント４」）素材である。ＰＣＢに用いられるＦＲ−４は、四官能性エポキシ樹脂システムを備えて典型的にＵＶ安定化される。それは典型的な二官能性エポキシ樹脂である。
【００２２】
図３は、３５ｐＦのわずかに高いキャパシタンス、４００のＱ値、および６ターンを備える４０×９０ｍｍアンテナの別の実施形態を示す。これは、ＰＴＦＥの回路基板３１０上に形作られる。この実施形態によれば、シングル可変コンデンサ３００および固定コンデンサ３０５がある。可変コンデンサは、３３ｐＦの固定キャパシタンスと共に、５および１６ｐＦの間で変動する。このアンテナは１３．５６ＭＨｚでの共振のために３５ｐＦのキャパシタンスを有する。
【００２３】
このアンテナの増加したＱ値の１つの理由は、これが７ターンアンテナではなく６ターンアンテナであるので、螺旋の最も内側のターンが取り去られることである。アンテナの最も内側の螺旋を取り去ることは、アンテナの大きさを効果的に増やす。アンテナの増加した大きさは、アンテナの実効的な大きさを増やす。それ故に、効率を増やすかもしれない。それゆえに、前述から発明者が気づいた１つのことは、より多いターン数に関連した実効的な大きさの減少がより大きいターン数を相殺するかもしれないことである。より少ないターン数アンテナが、指定された大きさに対してより大きい実効的な大きさを有しうるので、より少ないターン数アンテナは、より大きいターン数アンテナよりも時々効率がよくなりうる。
【００２４】
別の実施形態は、７ターンを備えて６０×１００ｍｍの面積を有する。キャパシタンスは、１３．５６ＭＨｚ共振周波数で３２０ｐＦである。ＰＴＦＥの回路基板素材は、Ｑ値を向上させるために用いられてもよい。
【００２５】
中規模のアンテナは、より大きいＰＤＡ又はゲームパッドに用いるために意図される。これは、１２０×２００ｍｍの螺旋アンテナを用いる。
【００２６】
実施形態においてアンテナは、１３．５６の共振周波数で３２０のＱ値を形作る、７ターンを備える６０×１００ｍｍの面積を有してもよい。２２ｐＦのキャパシタンス値が用いられうる。
【００２７】
別の実施形態はシングルターン構成がアンテナのために最適であるかもしれないことを認める。図４はＰＣ基板上でモバイル電話に用いられうるシングルターンアンテナを示す。図４は、シングルループデザインアンテナを例証する。これは、コンデンサ４０２を備えるシングルループ４００である。アンテナおよびコンデンサの両者は、ＰＣ基板４０６上に形作られる。アンテナは、曲線的なエッジを備える８９ｍｍ×４４ｍｍの長方形に、３．０ｍｍの幅を備える伝導性素材のストリップである。１ｍｍギャップ４０４は、エントリポイントでの部品間に残される。コンデンサ４０２は、１ｍｍギャップ４０４の上に直に結合される。アンテナへの電気的な接続は、４０２の両方の側面に直に配置されるワイヤ４１０、４１２による。
【００２８】
モバイル電話のための同等の大きさのマルチループアンテナが図５に示される。この図によれば、信号は５００および５０２の間で受信される。これは、ワイヤで形作られてもよい、又は、ＰＣ基板上にまっすぐに形作られてもよい。これは７１ｍｍのエッジ長を備えるターン、２ｍｍである各ベンドの半径を有する。
【００２９】
８６０ｐＦコンデンサが、１３．５６ＭＨｚで共振をこのアンテナにもたらすために用いられてもよい。コンデンサは、第１および第２の平坦な接続部を有する外面を備えるパッケージを有してもよい。
【００３０】
発明者によって行われた実際の測定によれば、アンテナのＱ値は１６０であった。なお、モバイル電話エレクトロニクスが屋内にある場合には７０まで落ちた。おおよその測定は、アンテナが、送信アンテナとして作動する３０ｍｍ銅管の大ループアンテナまで３０ｃｍの距離で約１Ｗの利用可能電力を受信したことであった。
【００３１】
受信アンテナは、好ましくは回路基板のエッジの５％の範囲内にある。特に、例えば、もし回路基板が２０ｍｍの幅であるのならば、２０ｍｍの５％は１ｍｍであり、アンテナは好ましくはエッジの１ｍｍの範囲内にある。また、アンテナは、上述の例においてエッジの２ｍｍの範囲内にあるであろう、エッジの１０％の範囲内にあってもよい。これは、受信するために用いられる回路基板の量を最大にする。それ故に、Ｑ値を最大にする。
【００３２】
上述は多数の異なる受信アンテナを記述した。多数の異なる送信アンテナも組み立てられ、試された。各々の目的は、送信アンテナのクオリティファクタ「Ｑ値」を増やすこと、および外部の構成によって又は自身の構成によってアンテナの可能な離調を減らすことであった。
【００３３】
送信アンテナの多数の異なる実施形態がここに記述される。これらの実施形態の各々について、目的は、クオリティファクタを増やすこと、およびアンテナの離調を減らすことである。これを行う一つの方法は、少ない数のターンのアンテナのデザインにしておくことである。最も極端なデザインで、多分好ましいバージョンはシングルターンアンテナデザインである。これは、高電流レーティングを備える非常に低いインピーダンスアンテナを導きうる。これは抵抗を最大にし、実効的なアンテナの大きさを最大にする。
【００３４】
これら低インピーダンスアンテナは、高電流レーティングを有する。しかしながら、シングルターンからの低インダクタンスは、共振のために必要とされたコンデンサの値を上げる。これは、低インダクタンス・キャパシタンス比を導く。これは、Ｑ値を減らすかもしれないが、周囲を取り巻くものへの感度を増やすかもしれない。このタイプのアンテナにおいて、Ｅ界の多くはコンデンサに獲得される。低インダクタンス・キャパシタンス比は低い銅損失を提供する大きい表面積によって相殺される。
【００３５】
送信アンテナの第１の実施形態が図６に示される。このアンテナは、ダブルループアンテナと称される。それは、１５ｃｍと同じくらい大きい直径を備えるコイル構成で形作られたアウターループ６００を有する。それは、例えば、形が立方体である基部６０５上に取り付けられる。コンデンサ６１０は、基部の中に取り付けられる。これは、この送信機をデスク搭載送信機デバイスとしてパッケージされることを可能にするかもしれない。これは非常に効率のよい短い領域の送信機になる。
【００３６】
図６のダブルループアンテナの実施形態は、より大きいループのために８５ｍｍの半径、より小さいカップリングループのためにおよそ２０から３０ｍｍの半径、メインループにおいて２ターン、および１３．５６ＭＨｚの共振周波数のために１１００のＱ値を有する。アンテナは、１２０ｐＦのキャパシタンス値によって共振値をもたらされる。
【００３７】
８５ｍｍ半径は、これをデスクデバイスとなるようによく適応させる。しかしながら、より大きいループは、より能率のよい電力伝達を創り出すかもしれない。
【００３８】
図７は、送信機の領域を増やすかもしれない「より大きいループ」を例証する。これは、カップリング構成およびループの終端に結合されたコンデンサを備えるシングルループ７００に配置した６ｍｍ銅管で形作ったシングルターンループである。このループは、比較的小さい表面を有し、それによって抵抗を制限し、よい性能を提供している。
【００３９】
ループは、メインループ７００、コンデンサ７０２、およびカップリングループ７１２の三者を固定する架台７１０上に取り付けられる。これは、全ての構成を一直線に並べておくことを可能にする。
【００４０】
２２５ｍｍメインループ、２０−３０ｍｍ直径のカップリングループを備えて、このアンテナは、１５０ｐＦコンデンサを備え１３．５６ＭＨｚの共振周波数で９８０のＱ値を有しうる。
【００４１】
より最適化されたループアンテナは、高いＱ値を獲得するために大きい管表面を備えて大きい面積と結合する、シングルターンアンテナを形作ってもよい。図８はこの実施形態を例証する。
【００４２】
その大きい表面積のためにこのアンテナは、２２ミリオームの高い抵抗を有する。なお、このほどほどに高い抵抗を考慮して、このアンテナは非常に高いＱ値を有する。また、このアンテナは多様な電流分布を有するので、インダクタンスはシミュレーションによって測定されうる。
【００４３】
このアンテナは、１３．５６Ｍｈｚの共振周波数でおよそ２６００のＱ値を示した、２００ｍｍ半径の３０ｍｍ銅管８００、直径約２０−３０ｍｍのカップリングループ８１０で形作られる。２００ｐＦコンデンサ８２０が用いられる（架台は図１４に示されるようであってもよい）。
【００４４】
しかしながら、上述されたように、このシステムのインダクタンスは変動しうる。従って、別の実施形態が図９に示される。この実施形態は、前述されたアンテナのいずれかを用いてもよい。アンテナ主要部（例えば、８００のような）の近くに配置されうる変動構成９００は、システムのキャパシタンスを共振に同調させるための可変キャパシタンスを提供してもよい。プレート回路基板、例えば、ＰＴＦＥ（テフロン）（登録商標）回路基板を備える９１０のようなコンデンサが用いられてもよい。
【００４５】
より一般的に、ここに記述したＰＴＦＥ／テフロンの全ての例証は、低タンジェントデルタの意味において低誘電体損失を備える任意の素材を代わりに用いてもよい。素材例は、低誘電体損失（タンジェントデルタ＜２００ｅ−６＠１３．５６ＭＨｚ）を備えるその他のセラミック又は磁器、テフロンおよびテフロン派生物を含む。
【００４６】
このシステムは、調整ねじ９１２を用いて回路基板９１０を滑動してもよい。これらは、およそ２００ｋＨｚだけ共振の変化を可能にするプレートコンデンサの内又は外を滑動してもよい。
【００４７】
このような形のコンデンサは、１３．５６Ｍｈｚで２０００よりも大きいＱ値を有すると判断されるテフロンの望ましい性能のために非常に小さい損失のみをアンテナに伝える。電流の少ない量がプレートコンデンサを通り、電流の多くはむしろアンテナのバルクキャパシタンス（例えば、ここでは２００ｐＦ）を通るので、２つのコンデンサはＱ値を増やしうる。
【００４８】
別の実施形態は、図１０に示されるようなその他の同調する方法を用いてもよい。このような実施形態の一つは、共振器８００／８２０から離れる又は近づく同調部として非共振金属環１０００を用いる。環は架台１００２上に取り付けられ、ねじ制御部１００４によって内および外に調整することができる。環は共振器の共振周波数から離調する。これは、顕著なＱファクタの低下なしに約６０ｋＨｚの領域を通じて変化しうる。この実施形態が用いられる環を記述する一方で、任意の非共振構成が用いられてもよい。[００６３]  共振ループ８００／８２０および可動同調ループは、低いしかし調節可能なカップリングファクタを有するユニティ結合された変圧器のように共に作動する。この類似に続くように、同調ループは二次側のようであるが、短絡される。これは、短絡回路を共振器の一次側に変換する。その結果、カップリングファクタに依存する小さなフラクションによって共振器の全体のインダクタンスを減らす。これは、クオリティファクタを実質的に減らさずに共振周波数を増やすことができる。
【００４９】
図１１は、大きい送信機アンテナ上での全体の電流分布のシミュレーションを示す。ループ１１００は、ループの外側の電流濃度よりも高い、ループの内側の表面上の濃度で示される。アンテナの内側では、電流密度は、コンデンサの反対側のトップで最も高く、コンデンサに向かって減少する。
【００５０】
図１２は、結合スポットにおける第１のホットスポットおよびフランジのエッジにおける第２のホットスポットのように接続フランジに２つのホットスポットもあることを例証する。これはループおよびコンデンサの間の接続が重要であることを示す。
【００５１】
別の実施形態は、ホットスポットを取り去るためにアンテナを適合させる。これは、コンデンサを上の方へ移動すること、および、フランジの端又は長方形を切り払うことによって行われた。これは、電流フローにとってよりよい、滑らかにする機械構成になる。図１３および図１４は、これを例証する。図１３は、銅のようなループ素材１２９９を取り付けたフランジ１３００を例証する。図１３において、コンデンサ１３１０は素材１２００よりも大きい。フランジは、例えば、ループ素材１２９９およびコンデンサ１３１０の間を移行するはんだのような伝導素材である。遷移体は、示されるような曲線又は直線（例えば、台形を形作るような）であってもよい。
【００５２】
アンテナホットスポットが最小化されるかもしれない別の方法は、例えば、電流を等しくするよう試みるために電流ホットスポットの近くに図９および図１０のような、ある種の同調する形を用いることによる。
【００５３】
図１４は、素材１２９９と同じ大きさであるコンデンサ１４００、および直線フランジである遷移体１４０１、１４０２を示す。
【００５４】
多数の異なる素材が、別の実施形態に従って試験された。これらの試験の結果が表１に示される。
【表１】
2014042240.tif 000004
【００５５】
図１５は、試験方法を用いて見つけ出した異なる受信機アンテナについての伝達効率を例証する。この試験は、アンテナが０．２Ｗを受信する場所である、各受信アンテナについて一つのポイントのみを測定することであった。曲線の残部は丸いアンテナを設計する計算によって加えられる。
【００５６】
図１６は、例えば、非常に小さなダブルループ、小さなダブルループ、大６ｍｍから非常に小までのループ、および大６ｍｍから小までのループ等、多数の異なるアンテナの組み合わせのためのシステム性能を例証する。このシステムは、異なる受信機アンテナについてのハーフワットポイントを選択し、同じ送信アンテナを用いてそれらを比較する。非常に小さなアンテナから小さなアンテナに変更する場合に、１５％の距離増加が見つけ出される。ダブルループアンテナから大６ｍｍアンテナに変更する場合に、異なる送信アンテナについてのハーフワットポイントが３３％の距離増加を示す。これは約１５９％の半径内で増加する。
【００５７】
上の発見を要約すると、低インピーダンス送信アンテナが形作られうる。Ｑ値は、銅管の周囲に沿った非一定な電流分布によりもたらされてもよい。
【００５８】
別の実施形態は、銅管の代わりに銅バンドを用いる。銅バンドは、例えば、銅管のように形作られた銅の薄い層で形作られうる。
【００５９】
受信アンテナのための小さなアンテナ領域にもかかわらず、最も小さなアンテナは１／２の距離で１ワットをなお受信できる。
【００６０】
アンテナを取り巻きアンテナに接触する素材は極端に重要である。これらの素材は、良いＱファクタを有していなければならない。ＰＴＦＥは、アンテナ回路基板のための良い素材である。
【００６１】
高電力送信アンテナのために、損失を減らすために理想的な電流フローについて形状が最適化される。電磁気シミュレーションは、高電流密度の領域を見つけ出すことを助けうる。
【００６２】
一般的な構成および技術と、特に、より一般的な目的を実行する異なる方法をもたらすために用いられうる実施形態と、がここに記述される。
【００６３】
数個の実施形態が上に詳細に記述されたとはいえ、その他の実施形態も可能であり、発明者はこれらが本明細書中に包含されるべきであると意図する。本明細書は、別の方法で達成されるかもしれない、より一般的な目的を達成するために特定の例を記述する。本開示が典型的であると意図されるし、特許請求の範囲は当業者に予想されるかもしれない任意の変化又は代案を包含すると意図される。例えば、上述が１３．５６Ｍｈｚで利用可能なアンテナを記述したとはいえ、その他の周波数値が用いられてもよい。
【００６４】
また、発明者は、「手段」という語句を用いるこれら特許請求の範囲のみが３５ＵＳＣ第１１２条第６段落の下で解釈されると意図する。更に、制限が特許請求の範囲に明確に含まれない限り、本明細書からの制限がほとんどないことは、いずれかの特許請求の範囲の中に示されると意図される。
【００６５】
ここに記述された任意の動作および／又はフローチャートは、コンピュータ上で、又は手動で実行されてもよい。もしコンピュータ上で実行されるのであれば、汎用又はワークステーションのようなある特定の目的コンピュータのどちらか一方のように、コンピュータはどんな種類のコンピュータであってもよい。
【００６６】
特定の数値がここに挙げられる限りは、いくつかの異なる範囲が特に挙げられない限り、本願の教えの中にとどまる間、その値は２０％近く増加又は減少されてもよいとみなされるであろう。明細に記された論理的な意味が用いられる限りでは、逆の論理的な意味も包含されると意図される。
【図１】
2014042240.tif 000005
【図１Ａ】
2014042240.tif 000006
【図２】
2014042240.tif 000007
【図３】
2014042240.tif 000008
【図４】
2014042240.tif 000009
【図５】
2014042240.tif 000010
【図６】
2014042240.tif 000011
【図７】
2014042240.tif 000012
【図８】
2014042240.tif 000013
【図９】
2014042240.tif 000014
【図１０】
2014042240.tif 000015
【図１１】
2014042240.tif 000016
【図１２】
2014042240.tif 000017
【図１３】
2014042240.tif 000018
【図１４】
2014042240.tif 000019
【図１５】
2014042240.tif 000020
【図１６】
2014042240.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月17日(2013.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に結合され、指定された周波数を有する信号を受信するように構成されたカップリングループと、
前記カップリングループに接続され、誘導ループ部および可変キャパシタンスを含む容量部を有する送信アンテナであって、前記誘導ループ部および容量部は、前記送信アンテナが前記指定された周波数で実質的に共振するようなＬＣ定数を共に有し、前記容量部は、前記誘導ループ部の遠位終端の間で接続される、送信アンテナと
を備えるワイヤレス電力送信アセンブリ。
【請求項２】
前記容量部は、
第１および第２の平坦な接続部を有する外面を有するパッケージの中にある、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記アセンブリの少なくとも一部で電流ホットスポットを最小化する前記カップリングループにおける構成を更に具備する、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記カップリングループと前記第１および第２の平坦な接続部との間に接続されたフランジを更に具備する、請求項３記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記フランジは、
前記カップリングループと前記第１および第２の平坦な接続部との間に平坦な表面を形作る、請求項４記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記フランジは、
前記カップリングループと前記第１および第２の平坦な接続部との間に曲折した表面を形作る、請求項４記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記電流を等しくするために前記電流ホットスポットの近くに少なくとも一つの同調構成を用いることを更に具備する、請求項３記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記送信アンテナのインダクタンスを変更するために調整可能である同調部を更に具備する、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記同調部は、
前記送信アンテナにより接近して移動することができ、且つ前記送信アンテナからより離れて移動することができる、コンデンサを含む、請求項８記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記同調部は、
前記送信アンテナの少なくとも一部により接近して移動することができ、且つ前記送信アンテナの少なくとも一部からより離れて移動することができる、非共振部を含む、請求項８記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記同調部は、
前記送信アンテナの一部のみのインダクタンスを変更する、および、前記送信アンテナにより接近して移動することができ、且つ前記送信アンテナからより離れて移動することができる、誘導的な同調部を含む、請求項８記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記誘導的な同調部は、
前記送信アンテナ上で電流ホットスポットの近くに配置される、請求項１１記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記アセンブリは、
磁界の周波数へ共振する、請求項８記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記アセンブリは、
電源への接続を含む、請求項１３記載のアセンブリ。
【請求項１５】
２００×１０−６よりも小さい低タンジェントデルタに対応する低誘電体損失を備える素材で前記回路基板を形作ることを更に具備する、請求項１記載のアンテナアセンブリ。
【請求項１６】
前記回路基板は、
ＰＴＦＥで形作られる、請求項１記載のアンテナアセンブリ。
【請求項１７】
前記回路基板は、
高いＱ値の素材で形作られる、請求項１記載のアンテナアセンブリ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本願は、２００７年９月１３日出願の米国特許仮出願第６０／９７２，１９４号に対する優先権を主張し、開示の全趣旨が参照によってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
電磁界を導くために線の使用なしに、ソースから目的地に電気的なエネルギーを伝達することは望ましいことである。前述の試みの問題点は、導かれる電力の不十分な量に加えて低効率なことであった。
【０００３】
２００８年１月２２日出願の「ワイヤレス装置および方法」と題された、米国特許出願第１２／０１８，０６９を含んでいるが、これに限定されない我々の以前の出願および仮出願は参照によってここに組み込まれ、その開示の全内容は電力のワイヤレス伝導を記述する。
【０００４】
システムは、例えば、共振の５％、共振の１０％、共振の１５％、又は共振の２０％の範囲内でそれらの信号の周波数と概ね共振する、好ましくは共振アンテナとなるような送信および受信アンテナを用いることができる。アンテナは、アンテナのための利用可能な空間が制限されるかもしれないモバイルおよびハンドヘルドデバイスの中に取り付けることを可能にするために小さなサイズが好ましい。効率のよい電力伝達は、伝導電磁波の形をとって自由空間に電力を送るよりもむしろ送信アンテナのニアフィールドに電力を蓄積することによって、２つのアンテナ間で実行されてもよい。高品質係数を伴うアンテナが用いられてもよい。２つの高いＱ値のアンテナは、一方のアンテナがもう一方のアンテナに電力を誘導し、ゆるく結合された変圧器と同様に反応するような場所に配置される。アンテナは、好ましくは１０００以上であるＱ値を有する。
【０００５】
望ましい対象に適切にパッケージされうる／収められうるアンテナを用いることは重要である。例えば、２４インチの直径が必要であるアンテナは携帯電話における用途にはインコンパチブルであろう。
【発明の概要】
【０００６】
本願は、ワイヤレス電力伝達のためのアンテナを記述する。例えば、より高いワイヤレス電力伝達効率等、より高い「Ｑ」値を有するアンテナに持たせるための様態が開示される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
これらおよびその他の態様は、添付図面を参照して詳細に記述されるであろう。
【図１】図１は、磁気波に基づくワイヤレス電力送信システムのブロック図を示す。
【図１Ａ】図１Ａは、長方形回路基板上に収めるように意図した受信機アンテナの基本的なブロック図を示す。
【図２】図２は、特定のマルチターンアンテナの特定の設計図を示す。
【図３】図３は、特定のマルチターンアンテナの特定の設計図を示す。
【図４】図４は、プリント回路基板上に形作ったストリップアンテナを示す。
【図５】図５は、プリント回路基板上に形作ったストリップアンテナを示す。
【図６】図６は、送信アンテナを例証する。
【図７】図７は、送信アンテナを例証する。
【図８】図８は、送信アンテナを例証する。
【図９】図９は、調整可能な同調部を示す。
【図１０】図１０は、可動環によって形作られた同調部を示す。
【図１１】図１１は、アンテナループに沿った電圧および電流配給を示す。
【図１２】図１２は、アンテナを形作るために用いられるフランジでの電流の配給を示す。
【図１３】図１３は、アンテナに従って用いられる特定のフランジを示す。
【図１４】図１４は、アンテナに従って用いられる特定のフランジを示す。
【図１５】図１５は、アンテナのための伝達効率を示す。
【図１６】図１６は、異なる送信機受信機組み合わせのための電力伝達を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
基本的な実施形態が図１に示される。電力送信機アセンブリ１００は、例えば、ＡＣプラグ１０２のようなソースから電力を受け取る。周波数ジェネレータ１０４は、ここでは共振アンテナであるアンテナ１１０にエネルギーを結合するように用いられる。アンテナ１１０は、高いＱ値の共振アンテナ部１１２に誘導的に結合される誘導ループ１１１を含む。共振アンテナは、半径ＲＡを有しているＮ巻きのコイルループ１１３を含む。ここに可変コンデンサとして示されるコンデンサ１１４は、共振ループを形作るコイル１１３と直列である。本実施形態において、コンデンサは、コイルとは完全に別々の構成であるが、ある実施形態では、コイルを形作る線のキャパシタンス自身が、コンデンサ１１４を形作ってもよい。
【０００９】
周波数ジェネレータ１０４は、好ましくはアンテナ１１０に同調されてもよいし、ＦＣＣ規格のために選択されてもよい。
【００１０】
本実施形態は多指向性アンテナを用いる。１１５は、全指向性における出力としてのエネルギーを示す。アンテナの出力の多くが電磁的に放射するエネルギーではなくむしろ変化のない磁界であるという意味では、アンテナ１００は非放射である。勿論、アンテナからの出力の一部は、実際には放射するであろう。
【００１１】
別の実施形態は、放射性アンテナを用いてもよい。
【００１２】
受信機１５０は、送信アンテナ１１０から距離Ｄ離れて配置される受信アンテナ１５５を含む。受信アンテナは、誘導カップリングループ１５２に結合される、コイル部およびコンデンサを有している高いＱ値の共振コイルアンテナ１５１である。カップリングループ１５２の出力は、整流器１６０で整流され、負荷に適用される。負荷は、例えば、白熱電球のような抵抗負荷、又は電気機具，コンピュータ，再充電可能なバッテリ，音楽再生器，あるいは自動車のような電子デバイス負荷等、任意のタイプの負荷であってもよい。
【００１３】
磁界カップリングが実施形態として主にここに記述されるが、エネルギーは電界カップリング又は磁界カップリングのどちらか一方によって伝達されてもよい。
【００１４】
電界カップリングは、開コンデンサ又は誘導性ディスクであるような、誘導的に負荷をかけられた電気双極子を提供する。外来の物体は、電界カップリング上で比較的強い影響を提供するかもしれない。磁界における外来の物体が「空の」空間と同じ磁性を有するので、磁界カップリングが好まれるかもしれない。
【００１５】
本実施形態は、容量性の負荷をかけられた磁気双極子を用いる磁界カップリングを記述する。このような双極子は、共振状態のアンテナに電気的に負荷をかけるコンデンサと直列に接続する、少なくとも一つのループ又はコイル巻線を形作る線ループで形作られる。
【００１６】
実施形態は１３．５６ＭＨｚで動作する２つのＬＣ共振アンテナを用いるワイヤレスエネルギー伝達を記述する。異なるアンテナがここに記述される。実施形態は、出願人が最善だと考えた異なる構成を記述した。一つの実施形態によれば、ポータブルデバイスに収めるように意図される受信アンテナよりも送信アンテナは大きくてもよい。
【００１７】
図１Ａは、受信機アンテナの第１のデザインを例証する。この第１のデザインは、回路基板上に形作られるように意図される長方形のアンテナである。図１Ａは、アンテナおよびその特徴を示す。受信機は、以下の式に従って、選択されうる。
【数１】
2014042240.tif 000022
【００１８】
ここで、Ｌはインダクタンス[Ｈ]であり、Ｎはターンの数[１]であり、ｗは長方形アンテナの平均幅[ｍ]であり、ｈは長方形アンテナの平均高さ[ｍ]であり、ｂは線半径[ｍ]であり、Ｃは外部キャパシタンス[Ｆ]（共振のための）であり、ｆはアンテナの共振周波数 [Ｈｚ]であり、λは共振周波数の波長（ｃ／ｆ）[ｍ]であり、σは用いられた素材の伝導率（銅＝６・１０７）[Ｓ]であり、αは近接効果の影響（示されたアンテナに対して０．２５）[１]であり、Ｑはクオリティファクタ[１]である。
【００１９】
ＴがＷよりも遥かに小さい、又は、Ｔがほぼ零に等しいと仮定する。特定の特徴に応じて、これらの公式がある一定の近似値を生じてもよい。
【００２０】
図２は、「非常に小さい」とここに称される、受信機アンテナの第１の実施形態を示す。非常に小さな受信機アンテナは、例えば小さなモバイル電話、ＰＤＡ、又はｉＰｏｄのようなある種のメディアプレーヤデバイスに収めてもよい。受信アンテナ部２０５に含まれた一連の同心ループ２０２は、回路基板２０１上に形作られる。ループは、約４０ｍｍ×９０ｍｍのワイヤスパイラルを形作る。第１および第２の可変コンデンサ２０６、２１０もアンテナの中に配置される。例えば、ＢＭＣコネクタのようなコネクタ２２０は、ループ２０２の終端を介して接続する。
【００２１】
非常に小さなアンテナは、７ターンを備える４０ｍｍ×９０ｍｍアンテナである。測定されたＱ値は、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で約３００である。このアンテナは、約３２ｐＦの測定されたキャパシタンスも有する。用いられる回路基板２０１の回路基板素材は、全般的なＱ値をもたらす、ＦＲ４（「フレームリターダント４」）素材である。ＰＣＢに用いられるＦＲ−４は、四官能性エポキシ樹脂システムを備えて典型的にＵＶ安定化される。それは典型的な二官能性エポキシ樹脂である。
【００２２】
図３は、３５ｐＦのわずかに高いキャパシタンス、４００のＱ値、および６ターンを備える４０×９０ｍｍアンテナの別の実施形態を示す。これは、ＰＴＦＥの回路基板３１０上に形作られる。この実施形態によれば、シングル可変コンデンサ３００および固定コンデンサ３０５がある。可変コンデンサは、３３ｐＦの固定キャパシタンスと共に、５および１６ｐＦの間で変動する。このアンテナは１３．５６ＭＨｚでの共振のために３５ｐＦのキャパシタンスを有する。
【００２３】
このアンテナの増加したＱ値の１つの理由は、これが７ターンアンテナではなく６ターンアンテナであるので、螺旋の最も内側のターンが取り去られることである。アンテナの最も内側の螺旋を取り去ることは、アンテナの大きさを効果的に増やす。アンテナの増加した大きさは、アンテナの実効的な大きさを増やす。それ故に、効率を増やすかもしれない。それゆえに、前述から発明者が気づいた１つのことは、より多いターン数に関連した実効的な大きさの減少がより大きいターン数を相殺するかもしれないことである。より少ないターン数アンテナが、指定された大きさに対してより大きい実効的な大きさを有しうるので、より少ないターン数アンテナは、より大きいターン数アンテナよりも時々効率がよくなりうる。
【００２４】
別の実施形態は、７ターンを備えて６０×１００ｍｍの面積を有する。キャパシタンスは、１３．５６ＭＨｚ共振周波数で３２０ｐＦである。ＰＴＦＥの回路基板素材は、Ｑ値を向上させるために用いられてもよい。
【００２５】
中規模のアンテナは、より大きいＰＤＡ又はゲームパッドに用いるために意図される。これは、１２０×２００ｍｍの螺旋アンテナを用いる。
【００２６】
実施形態においてアンテナは、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で３２０のＱ値を形作る、７ターンを備える６０×１００ｍｍの面積を有してもよい。２２ｐＦのキャパシタンス値が用いられうる。
【００２７】
別の実施形態はシングルターン構成がアンテナのために最適であるかもしれないことを認める。図４はＰＣ基板上でモバイル電話に用いられうるシングルターンアンテナを示す。図４は、シングルループデザインアンテナを例証する。これは、コンデンサ４０２を備えるシングルループ４００である。アンテナおよびコンデンサの両者は、ＰＣ基板４０６上に形作られる。アンテナは、曲線的なエッジを備える８９ｍｍ×４４ｍｍの長方形に、３．０ｍｍの幅を備える伝導性素材のストリップである。１ｍｍギャップ４０４は、エントリポイントでの部品間に残される。コンデンサ４０２は、１ｍｍギャップ４０４の上に直に結合される。アンテナへの電気的な接続は、４０２の両方の側面に直に配置されるワイヤ４１０、４１２による。
【００２８】
モバイル電話のための同等の大きさのマルチループアンテナが図５に示される。この図によれば、信号は５００および５０２の間で受信される。これは、ワイヤで形作られてもよい、又は、ＰＣ基板上にまっすぐに形作られてもよい。これは７１ｍｍのエッジ長を備えるターン、２ｍｍである各ベンドの半径を有する。
【００２９】
８６０ｐＦコンデンサが、１３．５６ＭＨｚで共振をこのアンテナにもたらすために用いられてもよい。コンデンサは、第１および第２の平坦な接続部を有する外面を備えるパッケージを有してもよい。
【００３０】
発明者によって行われた実際の測定によれば、アンテナのＱ値は１６０であった。なお、モバイル電話エレクトロニクスが屋内にある場合には７０まで落ちた。おおよその測定は、アンテナが、送信アンテナとして作動する３０ｍｍ銅管の大ループアンテナまで３０ｃｍの距離で約１Ｗの利用可能電力を受信したことであった。
【００３１】
受信アンテナは、好ましくは回路基板のエッジの５％の範囲内にある。特に、例えば、もし回路基板が２０ｍｍの幅であるのならば、２０ｍｍの５％は１ｍｍであり、アンテナは好ましくはエッジの１ｍｍの範囲内にある。また、アンテナは、上述の例においてエッジの２ｍｍの範囲内にあるであろう、エッジの１０％の範囲内にあってもよい。これは、受信アンテナのために用いられる回路基板の量を最大にする。それ故に、Ｑ値を最大にする。
【００３２】
上述は多数の異なる受信アンテナを記述した。多数の異なる送信アンテナも組み立てられ、試された。各々の目的は、送信アンテナのクオリティファクタ「Ｑ値」を増やすこと、および外部の構成によって又は自身の構成によってアンテナの可能な離調を減らすことであった。
【００３３】
送信アンテナの多数の異なる実施形態がここに記述される。これらの実施形態の各々について、目的は、クオリティファクタを増やすこと、およびアンテナの離調を減らすことである。これを行う一つの方法は、少ない数のターンのアンテナのデザインにしておくことである。最も極端なデザインで、多分好ましいバージョンはシングルターンアンテナデザインである。これは、高電流レーティングを備える非常に低いインピーダンスアンテナを導きうる。これは抵抗を最大にし、実効的なアンテナの大きさを最大にする。
【００３４】
これら低インピーダンスアンテナは、高電流レーティングを有する。しかしながら、シングルターンからの低インダクタンスは、共振のために必要とされたコンデンサの値を上げる。これは、低インダクタンス・キャパシタンス比を導く。これは、Ｑ値を減らすかもしれないが、周囲を取り巻くものへの感度を増やすかもしれない。このタイプのアンテナにおいて、Ｅ界の多くはコンデンサに獲得される。低インダクタンス・キャパシタンス比は低い銅損失を提供する大きい表面積によって相殺される。
【００３５】
送信アンテナの第１の実施形態が図６に示される。このアンテナは、ダブルループアンテナと称される。それは、１５ｃｍと同じくらい大きい直径を備えるコイル構成で形作られたアウターループ６００を有する。それは、例えば、形が立方体である基部６０５上に取り付けられる。コンデンサ６１０は、基部の中に取り付けられる。これは、この送信機をデスク搭載送信機デバイスとしてパッケージされることを可能にするかもしれない。これは非常に効率のよい短い領域の送信機になる。
【００３６】
図６のダブルループアンテナの実施形態は、より大きいループのために８５ｍｍの半径、より小さいカップリングループのためにおよそ２０から３０ｍｍの半径、メインループにおいて２ターン、および１３．５６ＭＨｚの共振周波数のために１１００のＱ値を有する。アンテナは、１２０ｐＦのキャパシタンス値によって共振値をもたらされる。
【００３７】
８５ｍｍ半径は、これをデスクデバイスとなるようによく適応させる。しかしながら、より大きいループは、より能率のよい電力伝達を創り出すかもしれない。
【００３８】
図７は、送信機の領域を増やすかもしれない「より大きいループ」を例証する。これは、カップリング構成およびループの終端に結合されたコンデンサを備えるシングルループ７００に配置した６ｍｍ銅管で形作ったシングルターンループである。このループは、比較的小さい表面を有し、それによって抵抗を制限し、よい性能を提供している。
【００３９】
ループは、メインループ７００、コンデンサ７０２、およびカップリングループ７１２の三者を固定する架台７１０上に取り付けられる。これは、全ての構成を一直線に並べておくことを可能にする。
【００４０】
２２５ｍｍメインループ、２０−３０ｍｍ直径のカップリングループを備えて、このアンテナは、１５０ｐＦコンデンサを備え１３．５６ＭＨｚの共振周波数で９８０のＱ値を有しうる。
【００４１】
より最適化されたループアンテナは、高いＱ値を獲得するために大きい管表面を備えて大きい面積と結合する、シングルターンアンテナを形作ってもよい。図８はこの実施形態を例証する。
【００４２】
その大きい表面積のためにこのアンテナは、２２ミリオームの高い抵抗を有する。なお、このほどほどに高い抵抗を考慮して、このアンテナは非常に高いＱ値を有する。また、このアンテナは多様な電流分布を有するので、インダクタンスはシミュレーションによって測定されうる。
【００４３】
このアンテナは、１３．５６Ｍｈｚの共振周波数でおよそ２６００のＱ値を示した、２００ｍｍ半径の３０ｍｍ銅管８００、直径約２０−３０ｍｍのカップリングループ８１０で形作られる。２００ｐＦコンデンサ８２０が用いられる（架台は図１４に示されるようであってもよい）。
【００４４】
しかしながら、上述されたように、このシステムのインダクタンスは変動しうる。従って、別の実施形態が図９に示される。この実施形態は、前述されたアンテナのいずれかを用いてもよい。アンテナ主要部（例えば、８００のような）の近くに配置されうる変動構成９００は、システムのキャパシタンスを共振に同調させるための可変キャパシタンスを提供してもよい。プレート回路基板、例えば、ＰＴＦＥ（テフロン）（登録商標）回路基板を備える９１０のようなコンデンサが用いられてもよい。
【００４５】
より一般的に、ここに記述したＰＴＦＥ／テフロンの全ての例証は、低タンジェントデルタの意味において低誘電体損失を備える任意の素材を代わりに用いてもよい。素材例は、低誘電体損失（タンジェントデルタ＜２００ｅ−６＠１３．５６ＭＨｚ）を備えるその他のセラミック又は磁器、テフロンおよびテフロン派生物を含む。
【００４６】
このシステムは、調整ねじ９１２を用いて回路基板９１０を滑動してもよい。これらは、およそ２００ｋＨｚだけ共振の変化を可能にするプレートコンデンサの内又は外を滑動してもよい。
【００４７】
このような形のコンデンサは、１３．５６Ｍｈｚで２０００よりも大きいＱ値を有すると判断されるテフロンの望ましい性能のために非常に小さい損失のみをアンテナに伝える。電流の少ない量がプレートコンデンサを通り、電流の多くはむしろアンテナのバルクキャパシタンス（例えば、ここでは２００ｐＦ）を通るので、２つのコンデンサはＱ値を増やしうる。
【００４８】
別の実施形態は、図１０に示されるようなその他の同調する方法を用いてもよい。このような実施形態の一つは、共振器８００／８２０から離れる又は近づく同調部として非共振金属環１０００を用いる。環は架台１００２上に取り付けられ、ねじ制御部１００４によって内および外に調整することができる。環は共振器の共振周波数から離調する。これは、顕著なＱファクタの低下なしに約６０ｋＨｚの領域を通じて変化しうる。この実施形態が用いられる環を記述する一方で、任意の非共振構成が用いられてもよい。
【００４９】
共振ループ８００／８２０および可動同調ループは、低いしかし調節可能なカップリングファクタを有するユニティ結合された変圧器のように共に作動する。この類似に続くように、同調ループは二次側のようであるが、短絡される。これは、短絡回路を共振器の一次側に変換する。その結果、カップリングファクタに依存する小さなフラクションによって共振器の全体のインダクタンスを減らす。これは、クオリティファクタを実質的に減らさずに共振周波数を増やすことができる。
【００５０】
図１１は、大きい送信機アンテナ上での全体の電流分布のシミュレーションを示す。ループ１１００は、ループの外側の電流濃度よりも高い、ループの内側の表面上の濃度で示される。アンテナの内側では、電流密度は、コンデンサの反対側のトップで最も高く、コンデンサに向かって減少する。
【００５１】
図１２は、結合スポットにおける第１のホットスポットおよびフランジのエッジにおける第２のホットスポットのように接続フランジに２つのホットスポットもあることを例証する。これはループおよびコンデンサの間の接続が重要であることを示す。
【００５２】
別の実施形態は、ホットスポットを取り去るためにアンテナを適合させる。これは、コンデンサを上の方へ移動すること、および、フランジの端又は長方形を切り払うことによって行われた。これは、電流フローにとってよりよい、滑らかにする機械構成になる。図１３および図１４は、これを例証する。図１３は、銅のようなループ素材１２９９を取り付けたフランジ１３００を例証する。図１３において、コンデンサ１３１０は素材１２００よりも大きい。フランジは、例えば、ループ素材１２９９およびコンデンサ１３１０の間を移行するはんだのような伝導素材である。遷移体は、示されるような曲線又は直線（例えば、台形を形作るような）であってもよい。
【００５３】
アンテナホットスポットが最小化されるかもしれない別の方法は、例えば、電流を等しくするよう試みるために電流ホットスポットの近くに図９および図１０のような、ある種の同調する形を用いることによる。
【００５４】
図１４は、素材１２９９と同じ大きさであるコンデンサ１４００、および直線フランジである遷移体１４０１、１４０２を示す。
【００５５】
多数の異なる素材が、別の実施形態に従って試験された。これらの試験の結果が表１に示される。
【表１】
2014042240.tif 000023
【００５６】
図１５は、試験方法を用いて見つけ出した異なる受信機アンテナについての伝達効率を例証する。この試験は、各受信アンテナについて一つのポイントのみを測定することであった。その際、そのポイントは、アンテナが０．２Ｗを受信する場所である。曲線の残部は丸いアンテナを設計する計算によって加えられる。
【００５７】
図１６は、例えば、非常に小さなダブルループ、小さなダブルループ、大６ｍｍから非常に小までのループ、および大６ｍｍから小までのループ等、多数の異なるアンテナの組み合わせのためのシステム性能を例証する。このシステムは、異なる受信機アンテナについてのハーフワットポイントを選択し、同じ送信アンテナを用いてそれらを比較する。非常に小さなアンテナから小さなアンテナに変更する場合に、１５％の距離増加が見つけ出される。ダブルループアンテナから大６ｍｍアンテナに変更する場合に、異なる送信アンテナについてのハーフワットポイントが３３％の距離増加を示す。これは約１５９％の半径内で増加する。
【００５８】
上の発見を要約すると、低インピーダンス送信アンテナが形作られうる。Ｑ値は、銅管の周囲に沿った非一定な電流分布によりもたらされてもよい。
【００５９】
別の実施形態は、銅管の代わりに銅バンドを用いる。銅バンドは、例えば、銅管のように形作られた銅の薄い層で形作られうる。
【００６０】
受信アンテナのための小さなアンテナ領域にもかかわらず、最も小さなアンテナは１／２の距離で１ワットをなお受信できる。
【００６１】
アンテナを取り巻きアンテナに接触する素材は極端に重要である。これらの素材は、良いＱファクタを有していなければならない。ＰＴＦＥは、アンテナ回路基板のための良い素材である。
【００６２】
高電力送信アンテナのために、損失を減らすために理想的な電流フローについて形状が最適化される。電磁気シミュレーションは、高電流密度の領域を見つけ出すことを助けうる。
【００６３】
一般的な構成および技術と、特に、より一般的な目的を実行する異なる方法をもたらすために用いられうる実施形態と、がここに記述される。
【００６４】
数個の実施形態が上に詳細に記述されたとはいえ、その他の実施形態も可能であり、発明者はこれらが本明細書中に包含されるべきであると意図する。本明細書は、別の方法で達成されるかもしれない、より一般的な目的を達成するために特定の例を記述する。本開示が典型的であると意図されるし、特許請求の範囲は当業者に予想されるかもしれない任意の変化又は代案を包含すると意図される。例えば、上述が１３．５６Ｍｈｚで利用可能なアンテナを記述したとはいえ、その他の周波数値が用いられてもよい。
【００６５】
また、発明者は、「手段」という語句を用いるこれら特許請求の範囲のみが３５ＵＳＣ第１１２条第６段落の下で解釈されると意図する。更に、制限が特許請求の範囲に明確に含まれない限り、本明細書からの制限がほとんどないことは、いずれかの特許請求の範囲の中に示されると意図される。
【００６６】
ここに記述された任意の動作および／又はフローチャートは、コンピュータ上で、又は手動で実行されてもよい。もしコンピュータ上で実行されるのであれば、汎用又はワークステーションのようなある特定の目的コンピュータのどちらか一方のように、コンピュータはどんな種類のコンピュータであってもよい。
【００６７】
特定の数値がここに挙げられる限りは、いくつかの異なる範囲が特に挙げられない限り、本願の教えの中にとどまる間、その値は２０％近く増加又は減少されてもよいとみなされるであろう。明細に記された論理的な意味が用いられる限りでは、逆の論理的な意味も包含されると意図される。
【００６８】
以下の本件出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
特定された周波数で磁気共振に同調される受信アンテナ部と、
少なくとも一つのモバイル電子部材と、
を具備し、
前記受信アンテナ部は、
回路基板と、
前記回路基板のエッジの近くおよび周りに伸び且つ前記回路基板の全体の距離のエッジの１０％の範囲内にアウター直径を有する、伝導ループと、
前記回路基板に結合される容量性構成と、
前記回路基板に結合される接続構成と、を含み、
前記少なくとも一つのモバイル電子部材は、
前記受信アンテナ部によってワイヤレスで受信され且つ前記接続に接続される、電源によって電力供給される、モバイルデバイスのための受信アンテナアセンブリ。
［２］
前記伝導ループは、
伝導素材のシングルループのみを含む、［１］のアンテナ。
［３］
前記伝導ループは、
互いに同心である伝導素材の複数のループを含み、
前記接続は、
前記回路基板のエッジに最も接近した前記ループの第１の部分と、前記回路基板の中心に最も接近した前記ループの第２の部分との間である、［１］のアンテナ。
［４］
前記容量性構成は、
前記回路基板に取り付けられた固定コンデンサを含む、［１］のアンテナ。
［５］
前記容量性構成は、
前記固定コンデンサと並列であり且つ前記回路基板に取り付けられた、可変コンデンサも含む、［１］のアンテナ。
［６］
前記受信部は、
１３．５６ＭＨｚの共振周波数に同調される、［１］のアンテナ。
［７］
前記受信することによって受信された信号を整流し、且つ前記電子部材にそこから電力を結合する、整流器を更に具備する、［１］のアンテナ。
［８］
回路基板と同じハウジング内にあり且つ前記アンテナによって電力供給されるように結合した、モバイルエレクトロニクスを更に具備する、［７］のアンテナ。
［９］
前記コンデンサが、
前記回路基板に取り付けられた可変コンデンサである、［１］のアンテナアセンブリ。
［１０］
指定された周波数の信号を受信する接続部と、
前記信号を受信するために結合された第１のカップリングループと、
誘導ループ部および容量部を有する第２の送信アンテナと、
を具備し、
前記誘導部および容量部は、
前記指定された周波数で実質的に共振するＬＣ定数を共に形作り、
前記容量部は、
前記ループ部の遠位終端の間で接続される、ワイヤレス電力送信アセンブリ。
［１１］
前記容量部は、
第１および第２の平坦な接続部を有する外面を有するパッケージの中にある、［１０］のアセンブリ。
［１２］
前記アンテナの少なくとも一部で電流ホットスポットを最小化する前記カップリングループにおける構成を更に具備する、［１１］のアセンブリ。
［１３］
前記カップリングループおよび前記平坦な接続部の間を結合するフランジを更に具備する、［１２］のアセンブリ。
［１４］
前記フランジは、
前記カップリングループおよび前記平坦な接続部の間に平坦な表面を形作る、［１３］のアセンブリ。
［１５］
前記フランジは、
前記カップリングループおよび前記平坦な接続部の間に曲折した表面を形作る、［１３］のアセンブリ。
［１６］
前記電流を等しくするために前記電流ホットスポットの近くに少なくとも一つの同調構成を用いることを更に具備する、［１２］のアセンブリ。
［１７］
アンテナインダクタンスを形作るメインループを固定し、且つコンデンサをパッケージングする第１のスタンド部を具備し、
前記スタンド部は、
前記メインループから電気的に切断され、且つメインループよりも小さいカップリングループを固定する第２の部分を有し、
前記カップリングループへの電気的な接続を有する、アンテナ。
［１８］
インダクタンスを定める丸いループの中に配置された伝導素材で形作られるメインループ部と、
全体のＬＣ値を形作るために前記丸いループに結合される容量部と、
そのインダクタンスを変更することによって、前記メインループの誘導的な同調を変更するために調整可能である同調部と、
を具備する、アンテナ。
［１９］
前記同調部は、
前記メインループからより離れうる、および前記メインループにより接近しうる、コンデンサを含む、［１８］のアンテナ。
［２０］
前記同調部は、
前記メインループの少なくとも一部により接近して移動することができ、且つ前記メインループの少なくとも一部からより離れて移動することができる、非共振部を含む、［１８］のアンテナ。
［２０］
前記同調部は、
前記メインループの一部のみのインダクタンスを変更する、および、前記メインループにより接近して移動することができ、且つ前記メインループからより離れて移動することができる、部分を含む、［１８］のアンテナ。
［２１］
前記部分は、
前記ループ上で電流ホットスポットの近くに配置される、［２０］のアンテナ。
［２２］
前記アンテナは、
磁気周波数へ共振する、［１８］のアンテナ。
［２３］
前記アンテナは、
電力接続を含む、［２２］のアンテナ。
［２４］
低誘電体損失を備え、および２００×１０−６よりも小さい低タンジェントデルタを備える素材の前記回路基板を形作ることを更に具備する、［１］のアンテナ。
［２５］
前記回路基板は、
ＰＴＦＥで形作られる、［２４］のアンテナ。
［２６］
前記回路基板は、
高いＱ値の素材で形作られる、［１］のアンテナ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2014042240.tif 000024
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2014042240.tif 000025
【外国語明細書】
2014042240000001.pdf