(57)【要約】プレーナ型共振器及び製造方法は、結合インダクタ又は変圧器構成における伝送インタフェースにわたり導電性に揃えられる少なくとも２つの電気的に分離された軸を使用して非接触での電力伝送を提供する。信号又は電力の伝送は、次いで、磁束の結合により達成される。電束の結合もまた、同じインタフェースにわたり達成され、同じ導電性の螺旋巻きの導体により駆動される。エネルギー伝送のインタフェース（ＩＯＥＴ）２１５は、該ＩＯＥＴに上面に設けられた第一の螺旋状導体２１０を有しており、該ＩＯＥＴの下面に設けられた第二の螺旋状導体２３０は、第一の螺旋状導体と揃えられる垂直軸を有している。ＩＯＥＴ並びに第一及び第二の螺旋状導体は、予め決定された自己共振周波数を有している。プレーナ型電力共振器は、ＩＯＥＴに電気エネルギーを蓄積し、予め決定された周波数で、第一及び第二の螺旋状導体並びにＩＯＥＴの構成は、ＩＯＥＴにわたり第一の螺旋と第二の螺旋との間で磁気エネルギーと電気エネルギーの伝送を可能にする。共振器は、セルフォン、及び共振器がファブリックに織ることができるか、又は人の衣類に付属させることができるウェアラブルエレクトロニクスのような装置での非接触でのバッテリ充電を容易にする。
2005531242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と下面を有するエネルギー伝送のインタフェース（ＩＯＥＴ）と、
該ＩＯＥＴの上面に設けられた第一のコイル導体と、
該ＩＯＥＴの下面に設けられ、該第一のコイル導体と揃えられる垂直軸を有する第二のコイル導体と、
該ＩＯＥＴと該第一のコイル導体及び該第二のコイル導体は、予め決定された自己共振周波数を有し、
該第一のコイル導体と該第二のコイル導体との間のキャパシタンスは、該ＩＯＥＴにわたるエネルギーの伝送を可能にし、
該第一のコイル導体と該第二のコイル導体からなる構成は、直列共振構成及び並列共振構成のうちの１つを含む、
ことを特徴とするプレーナ型共振器。
【請求項２】
該第一のコイル導体と該第二のコイル導体は、第一のＰＣＢ螺旋巻きの導体と第二のＰＣＢ螺旋巻きの導体のそれぞれを含み、第一の螺旋状の導体及び第二の螺旋状の導体並びに該ＩＯＥＴは、プレーナ型構造で集積される、
請求項１記載のプレーナ型共振器。
【請求項３】
ＩＯＥＴは、該第一のコイル導体の下面の非導電性の誘電体フィルム、該第二のコイル導体の上面の非導電性の誘電体フィルム、及び該第一のコイル導体の下面からエアギャップだけ離れた乳化剤のうちの１つを含む、
請求項１記載のプレーナ型共振器。
【請求項４】
該第一の螺旋巻きの導体と該第二の螺旋巻きの導体のうちの一方に結合されたバッテリ充電回路をさらに有する、
請求項２記載のプレーナ型共振器。
【請求項５】
該第一の螺旋巻きの導体と該第二の螺旋巻きの導体のうちの他方には、負荷が結合される、
請求項４記載のプレーナ型共振器。
【請求項６】
該負荷は磁気的に結合され、該バッテリ充電回路から該負荷に磁束により電力が伝送される、
請求項５記載のプレーナ型共振器。
【請求項７】
該第一のコイル導体に印加される信号は、該ＩＯＥＴにわたり該第一の螺旋状の導体と該第二の螺旋状の導体の磁束の結合により該第二のコイル導体に伝送される、
請求項１記載のプレーナ型共振器。
【請求項８】
該ＩＯＥＴの上面に該第一の螺旋巻きの導体とのバイフレア螺旋構成で設けられる第三の螺旋巻きの導体をさらに有する、
請求項２記載のプレーナ型共振器。
【請求項９】
該ＩＯＥＴの下面に該第二の螺旋巻きの導体とのバイフレア螺旋構成で設けられる第四の螺旋巻きの導体をさらに有する、
請求項２記載のプレーナ型共振器。
【請求項１０】
該ＩＯＥＴの上面に該第一の螺旋巻きの導体とのバイフレア螺旋構成で設けられる第三の螺旋巻きの導体をさらに有する、
請求項７記載のプレーナ型共振器。
【請求項１１】
該ＩＯＥＴの上面及び下面にあるバイフレア螺旋構成は、並列共振器を形成する、
請求項１０記載のプレーナ型共振器。
【請求項１２】
該ＩＯＥＴの上面及び下面にあるバイフレア螺旋構成は、直列共振器を形成する、
請求項１０記載のプレーナ型共振器。
【請求項１３】
該第一の螺旋状の導体と該第三の螺旋状の導体は、該ＩＯＥＴと並列に結合される、
請求項７記載のプレーナ型共振器。
【請求項１４】
該第一の螺旋状の導体と該第三の螺旋状の導体は、該ＩＯＥＴと直列に結合される、
請求項１０記載のプレーナ型共振器。
【請求項１５】
該第二の螺旋状の導体と該第四の螺旋状の導体は、該ＩＯＥＴと並列に結合される、
請求項１０記載のプレーナ型共振器。
【請求項１６】
該第二の螺旋状の導体と該第四の螺旋状の導体は、該ＩＯＥＴと直列に結合される、
請求項１０記載のプレーナ型共振器。
【請求項１７】
直列構成で該ＩＯＥＴの上面に設けられる第一の複数のコイル導体と、直列構成で該ＩＯＥＴの下面に配置される第二の複数のコイル導体とをさらに有する、
請求項１記載のプレーナ型共振器。
【請求項１８】
該第一の複数のコイル導体及び該第二の複数のコイル導体は、並列共振器として構成される、
請求項１７記載のプレーナ型共振器。
【請求項１９】
該第一の複数のコイル導体及び該第二の複数のコイル導体は、直列共振器として構成される、
請求項１７記載のプレーナ型共振器。
【請求項２０】
該ＩＯＥＴは、μr＞１である材料の比透磁率μrを有する、
請求項１記載のプレーナ型共振器。
【請求項２１】
該ＩＯＥＴは、Ｅr＞１である比誘電率Ｅrを有する、
請求項１記載のプレーナ型共振器。
【請求項２２】
誘電体材料に設けられる平坦な螺旋導体と、
該螺旋導体の第一の表面に設けられる第一の結合入力と、
該平坦な螺旋導体の構成とは反対の誘電体の後側に設けられる第二の結合入力と、
を有することを特徴とするプレーナ型電力共振器。
【請求項２３】
誘電体と接しているコイル導体の対からなる第一のコイル導体であって、電源に結合するための手段を含む第一のコイル導体と、該第一のコイル導体と垂直に揃えられるコイル導体の対からなる第二のコイル導体であって、負荷と結合するための手段を含む第二のコイル導体との間のエアギャップを有するフラットコイルの導体の対を有するプレーナ型電力共振器であって、
該コイル導体からなる対の間のキャパシタは、該第一のコイル導体から第二のコイル導体へのエネルギー伝送を可能にする、
ことを特徴とするプレーナ型電力共振器。
【請求項２４】
該電源を結合するための手段は、バッテリ充電器に結合され、該負荷と結合するための手段は、ワイヤレスバッテリ充電のためにバッテリに結合される、
請求項２３記載のプレーナ型共振器。
【請求項２５】
上面及び下面を有するエネルギー伝送のインタフェース（ＩＯＥＴ）と、
該ＩＯＥＴの上面に設けられた第一の螺旋状の導体と、
該ＩＯＥＴの上面に設けられ、該第一の螺旋状導体と揃えられる垂直軸を有する第二の螺旋状の導体と、
該ＩＯＥＴの上面に設けられた第一の基板材料と、
該ＩＯＥＴの下面に設けられた第二の基板材料とを備え、
該ＩＯＥＴ並びに該第一の螺旋状導体及び該第二の螺旋状導体は、予め決定された自己共振周波数を有する、
ことを特徴とするプレーナ型電力共振器。
【請求項２６】
該第一の螺旋状導体と該第二の螺旋状導体のうちの一方に結合されるバッテリ充電回路をさらに有する、
請求項２５記載のプレーナ型電力共振器。
【請求項２７】
該ＩＯＥＴは、μr＞１である材料の比透磁率を有する、
請求項２５記載のプレーナ型電力共振器。
【請求項２８】
該ＩＯＥＴは、Ｅr＞１である比誘電率Ｅrを有する、
請求項２５記載のプレーナ型電力共振器。
【請求項２９】
非接触型の電力の伝送のためのプレーナ型電力共振器を提供する方法であって、
（ａ）上面と下面を有するエネルギー伝送のインタフェース（ＩＯＥＴ）を提供するステップと、
（ｂ）該ＩＯＥＴの上面に第一の螺旋状導体を設けるステップと、
（ｃ）該第一の螺旋状導体と揃う垂直軸を有するように、該ＩＯＥＴの下面に第二の螺旋状導体を設けるステップとを有し、
該ＩＯＥＴ並びに該第一の螺旋状導体及び該第二の螺旋状導体は、予め決定された自己共振周波数を有するように選択され、
該第一の螺旋と該第二の螺旋は、直列共振器の構成と並列共振器の構成のうちの一方で設けられる、
ことを特徴とする方法。
【請求項３０】
該ステップ（ｂ）は、該ＩＯＥＴの上面に第一の螺旋状導体とのバイフレア螺旋構成で第三の螺旋状導体を設けるステップをさらに有し、
該ステップ（ｃ）は、該ＩＯＥＴの下面に第二の螺旋状導体とのバイフレア螺旋構成で第四の螺旋状導体を設けるステップをさらに有する、
請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
該ステップ（ｂ）は、該ＩＯＥＴの上面に第一の螺旋状導体とのマルチフレア螺旋構成で第一の複数の螺旋状導体を設けるステップをさらに有し、
該ステップ（ｃ）は、該ＩＯＥＴの下面に第二の螺旋状導体とのマルチフレア螺旋構成で第二の複数の螺旋状導体を設けるステップをさらに有する、
請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
該第一の複数の螺旋状導体及び該第二の複数の螺旋状導体は、並列共振器として構成される、
請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
該第一の複数の螺旋状導体及び該第二の複数の螺旋状導体は、直列共振器として構成される、
請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
該ステップ（ａ）で提供される該ＩＯＥＴは、μr＞１である材料の比透磁率を有する、
請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
該ＩＯＥＴは、Ｅr＞１である比誘電率Ｅrを有する、
請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
プレーナ型電力共振器を提供するための方法であって、
（ａ）誘電体材料に平坦な螺旋導体を設けるステップと、
（ｂ）第一の結合入力を螺旋導体の第一の面に接続するステップと、
（ｃ）該平坦な螺旋導体の構成とは反対の誘電体の後側に第二の結合入力を接続するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触による電力伝送システムに関する。より詳細には、本発明は、非接触による電力伝送システムのためのプレーナ型共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触による電力の伝送は、ペースメーカのバッテリの非接触での充電、ハイブリッド自動車用バッテリの充電のような応用で使用されてきている。かかる応用では、パワーステーションから負荷に電流が誘導されるように誘導結合が排他的に使用される。かかるシステムでは、パワーステーション及び負荷の磁束結合により、電力の伝送が排他的に達成される。
【０００３】
たとえば、電気自動車の使用を促進する道路システムは、カリフォルニアのような州により研究されている。かかるシステムでは、誘導結合されたフラットコイルが道路に埋め込まれるか、又は、道路に埋め込まれたケーブルに電圧が印加され、バッテリ充電又は推進力でさえも可能とするように、自動車の誘導コイルが道路のコイルからの誘導電流を受ける。典型的に、かかるシステムは、誘導による十分な電力伝送を提供するため、埋め込まれたコイルの磁束収集表面と自動車が互いに５センチメートル内の距離を維持することが要求されている。
【０００４】
Steigerwald等による米国特許第5,608,771号は、非接触による電力伝送システムを開示しており、ロータリー式変圧器の使用により、固定した電源から回転負荷に電力が伝送される。このシステムは、ブラシュ及びスリップリング構成を除いている。このタイプのシステムにおける結合もまた誘導的である。
【０００５】
別の構成は、導体に物理的に接触しない一次導体の回りのクランプオンリンクを使用している。電力の伝送は、なお誘導を介している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
セキュリティ識別といった別の分野では、電力の伝送を提供しないが、無線通信の分野で使用されている、Ez-Pass、Smart-Tag及びInterstate  95の一部、及びボストンからバージニアへのトンネルにおけるブリッジの高速レーン自動料金収集システムのような人物と自動車のための識別タグが存在する。セキュリティタグ及び料金収集タグは、電力伝送システムの誘導結合とは対照的に、容量結合によるトランスポンダである。したがって、従来技術では、磁束の誘導結合に加えて、電束の容量結合された機能性を含む非接触型の電力伝送のためのシステムがない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
非磁性であり、非伝導性である電食的に分離されたボリューム（材料）にわたる電力伝送を可能にする無線電力の伝送のためのプレーナ型共振器を提供することが有利である。電気エネルギー及び／又は磁気エネルギーは、ボリュームに蓄積され、このボリュームにわたってエネルギーが伝送される。共振コンポーネントは、集積されたインダクタ−キャパシタの変圧器の特性を示す。
【０００８】
本発明の第一の態様では、プレーナ型共振器は、単一の螺旋構造に配置されるコイルを含んでいる。しかし、多数の螺旋構造で使用されるとき、螺旋間のキャパシタンスは、エネルギー伝送のために使用することができ、ＩＯＥＴの両端での電気エネルギーと磁気エネルギーの伝送の組み合わせとなる。別の態様では、螺旋は、互いに反対側に配置することができ、かかるボードが必要とされない。物理的なワイヤがセルフォンをユーザに接続することなしにセルフォンのバッテリが充電されるように、コネクションを無線とすることができる。エネルギーの無線伝送のため、ＰＣＢは、典型的に不適切なＩＯＥＴである。
【０００９】
物理的な構成及び／又は使用される材料に依存して、電気形式又は磁気形式のいずれか、若しくはその両者でのエネルギー伝送のインタフェース（以下、“IOET:  Interface  Of  Energy  Transfer”）にわたる電力の伝送に加えて、プレーナ型共振器は、インピーダンス整合のため、又は付属のスイッチングパワーエレクトリックコンバータ回路におけるソフトスイッチングの達成のため、電気エネルギー及び磁気エネルギーの両方を蓄積する。物理的な構成及び／又は使用される材料は、ビルトインＬＣ共振特性と結合する磁気変圧器のような、誘導性のエネルギー蓄積、電気（容量性）のエネルギー蓄積、若しくはその組み合わせに加えて、容量性のエネルギー伝送により又は容量性のエネルギー伝送によらずに、変圧器のアクションを可能にする。プレーナ型共振器は、たとえば、単一のコイル構成において、エネルギー伝送のためにＩＯＥＴを必ずしも使用しない。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、アイソレーティング・カップリング・インタフェース及び共振タンクは、電力伝送のアイソレーション特性をもつプレーナ型のコンフィギュレーションに機能的に集積される。装置は、たとえばセルフォン及びその充電器のようなＩＯＥＴのいずれかの側にある２つの分離可能な構造を有する場合がある。ＩＯＥＴで必要な電気的な接触が存在しないので、全体の充電回路のサイズは、ＩＥＣ９５０のような安全基準の分離性の仕様に従って低減することができる。物理的な構造は、ＩＯＥＴのそれぞれの側にある一組の螺旋コイルを含んでいる場合があり、典型的には、それぞれの螺旋は、可撓性のある、又はプリント回路ボード（ＦＲ−４）のような、別々の基板上の導体のトレースである。
【００１１】
本発明の利点は、ウェアラブルエレクトロニクスの使用を容易にすることである。たとえば、ＦＲ−４のような材料、及び可撓性回路は、コイルの表面をフレキシブルにさせるために使用される場合がある。フレキシビリティに加えて、コイルは、ファブリックに配置される織られた配線、又は衣類に付属することができる埋め込まれた導体を持つパッドを容易にするため、任意の形状で形成される場合がある。このように、装置をファブリックに近づけることで、たとえば、ラジオ、セルフォン、及び／又はコンピュータ（多くのウェアラブルアイテムと名付ける）を充電することができる。このように、ウェアラブルエレクトロニクスによる本発明の実現は、ウェアラブル装置と外部電源との間のインタフェースを提供することができる。また、たとえば、デジタル情報のアップロード又はダウンロードのため、デジタル又はアナログ信号がかかるインタフェースにわたり伝送される場合がある。
【００１２】
本発明の別の態様では、プレーナ型パワー共振器は、薄型及び／又は比較的フラットトップのコイル表面を有している場合がある。無線の応用では、ＩＯＥＴは、たとえば、（i）上部の螺旋の下の（分離用の）非導電性／誘電性フィルム、（ii）エア、及び（iii）下部の螺旋の上の（分離用の）非導電性／誘電性フィルムから構成される場合がある。コイルは、実質的に軸方向に配列される上側及び下側のコンフィギュレーションで構成される場合がある。さらに、上側のコイルの上部には乳化剤が存在しており、乳化剤と下側のコイルの上部との間にはエアギャップがある。
【００１３】
螺旋形状の導体は、ｐｃｂ螺旋巻きの導体を含む場合がある。さらに、バッテリ充電回路は、第一及び第二の螺旋状の導体のうちの１方に結合することができ、負荷は、第一及び第二の螺旋状の導体のうちの他方に結合することができる。バッテリ充電回路間の結合は、容量性結合を有している場合がある。負荷は、磁気結合により結合することができ、ＩＯＥＴにわたる磁束の結合により電力が伝送される。
【００１４】
本発明の態様によれば、第一の螺旋状の導体に印加される信号は、ＩＯＥＴにわたる第一及び第二の螺旋状の導体の磁束を結合することで、第二の螺旋状の導体に伝送することができる。
【００１５】
第一及び第二の螺旋状の導体及びＩＯＥＴは、プレーナ型（フラット／薄型）構造に集積されることが好ましい。
【００１６】
プレーナ型共振器は、ＩＯＥＴの上面に第一の螺旋状の導体をもつ、バイフレア螺旋のコンフィギュレーションで構成される第三の螺旋状の導体、及び／又はＩＯＥＴの下面に第二の螺旋状の導体をもつ、バイフレア螺旋のコンフィギュレーションで構成される第四の螺旋状の導体をさらに有する場合がある。バイフレアトップとシングルボトム、又はシングルトップとバイフレアボトムは代替的な構成であることを理解されたい。等価な直列又は並列の共振動作は、これら２つの螺旋間のガルバニックコネクションは存在しないこと、又は存在することのそれぞれで達成することができる。
【００１７】
ＩＯＥＴの上面及び下面にあるバイフレア螺旋のコンフィギュレーションは、並列共振回路又は直列共振回路を形成するために配置することができる。
【００１８】
さらに、バイフレアコンフィギュレーションの代わりに、複数の螺旋状の導体は、それぞれの上面又は下面でマルチフレアコンフィギュレーションにより構成することができる。螺旋状の導体は、プレーナ型共振器が並列共振器又は直列共振器を有するように構成することができる。
【００１９】
第一の複数の螺旋状の導体と第二の複数の螺旋状の導体は、プレーナ型共振器が並列共振器又は直列共振器を有するように構成される場合がある。１つのキャパシタプレートをもつ構成が存在する。コイルは、一方の端がキャパシタの誘電体に接続されており、他方の端が充電回路に接続されている。この構成では、プレーナ型共振器は、インダクタとキャパシタの直列として作用し、回路のＱに影響を与える。
【００２０】
また、バイフレア構成は、ＩＯＥＴの一方の側にあるバイフレア構成を形成している２つの螺旋を分離する誘電体材料からなる第二のフィルムにより得ることができる。（すなわち、誘電体フィルムは、上の螺旋の上部にあり、別の螺旋がこの誘電体フィルムの上部にある。）この誘電体フィルムは、電気エネルギーを蓄積し、共振器の容量性部分を形成しており、誘導性部分は、誘電体フィルムのいずれかの側に一組の螺旋の自己結合から得られる。このフィルムは、エネルギーを伝送しないが、ＩＯＥＴにわたって伝送されるエネルギーを蓄積する。
【００２１】
螺旋が同じ方向に巻かれるバイフレア構成の代わりに、螺旋の１つが反対方向に巻かれる場合がある。したがって、このケースにおける２つの螺旋は、同じ物理的な面にはない。この利点は、可撓性の回路を有することが必要であるか、又は望まれるとき、若しくは共振器の磁気的及び電気的な性能を増加するために幾つかのコイルの層を有することが望まれるときに利用することができる。伝送線路の特性は、多数の共振周波数をもつ、全ての上述された構成により所有される。電気的な挙動は、等価な電気抵抗、キャパシタ、インダクタ、カップルドインダクタからなる分散ネットワークによりさらにモデル化される場合がある。分散エレメントの値、したがってその端子での構造の電気的な振る舞いは、共振周波数、インピーダンス、利得及び位相を含めて、材料特性、並びに螺旋及びインタフェースの幾何学的なコンフィギュレーションの選択により制御可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の説明は、例示することを目的とするものであって、限定することを目的とするものではない。本発明の精神に良好に含まれる多くの異なる構成、及び特許請求の範囲の範囲にある多くの異なる構成が存在する。
【００２３】
図１Ａから図１Ｂは、本発明の態様に係るプレーナ型の集積された共振器のバリエーションを例示している。集積された共振器は、ある構造（形状寸法）の時間−エネルギー機能の一部に電気エネルギーを蓄積することで得られ、この構造は、同じ機能の一部に磁気エネルギーをも蓄積する。
【００２４】
図１Ａは、基本的な螺旋１００を例示しており、図１Ｂは、バイフレア螺旋２００を例示している。勿論、本発明は螺旋及びバイフレア螺旋に限定されるものではなく、必要に応じて如何なる数の螺旋ラッピング（マルチフレア）を使用する場合があることを、当業者であれば理解される筈である。図２Ａに示されるように、プレーナ２００は、エネルギー伝送のインタフェース（IOET:  Interface  Of  Energy  Transfer）の上側２１５に巻かれている螺旋２１０を有しており、エネルギー伝送のインタフェース（ＩＯＥＴ）の下側２２０には別の螺旋（図示せず）が巻かれている。ＩＯＥＴの上側の螺旋の軸、内径及び外径は、ＩＯＥＴの下側にある螺旋に密に一致している。
【００２５】
図２Ｂは、図２Ａに示される螺旋２１０の断面図を例示している。この断面から、螺旋がＩＯＥＴにより分離される導体２２５，２３０を有していることがわかる。磁気結合係数を所有する（すなわち、共通の磁束を共有する）螺旋間にＩＯＥＴ層を形成することで、集積された共振器は、磁気エネルギーを蓄積する構造の時間−エネルギー機能の一部である電気エネルギーを蓄積することができる。
【００２６】
なお、図２Ｂは、上下に配置される螺旋導体を有するＩＯＥＴを示しているが、ＩＯＥＴは基板である必要はなく、図２Ｃに示されるように、ＩＯＥＴは、基板２４０及び２４１の間に設けられている。２つの基板材料は、インタフェース２３５のいずれかの側にあり、その側に沿って、インタフェース２３５がエアギャップである場合には、２つの基板は接合されていない場合がある。
【００２７】
ＩＯＥＴは、μr＞１、又はＥr＞１を有する場合があり、この場合、μrは材料の比透磁率であり、Ｅrは材料の比誘電率である。
【００２８】
図３は、多数の並列螺旋すなわちマルチフレアが使用される実施の形態を示している。図３に示されるように、“Ｗ”は幅に等しく、“ｔ”は厚さに等しい。螺旋の巻き数及びそれらの寸法は、接続及び回転の方向と同様に、直列、並列、又は直／並列組み合わせ回路を達成するために構成される場合がある。
【００２９】
図４、図５、図６及び図７は、個々の螺旋間を区別するため、Ａ及びＢのような表記を使用して螺旋の構成、及びそれらの等価回路を例示している。たとえば、図４は、図１Ａの近似的な等価回路であり、この近似的な等価回路は、等価な集中定数キャパシタ及び等価な集中定数インダクタへの第一近似として更に低減される場合がある。
【００３０】
なお、たとえば、より複雑な等価回路モデルは、変圧器を含んでいる場合があり、かかるモデルの複雑さは、伝送線路回路網として考慮することで、より高いオーダの作用を含むように拡張される場合がある。
【００３１】
図６及び図７に関して、これらの図は、直列共振器及び並列共振器のそれぞれを例示している。なお、図６では、可能性のある応用は、低域通過フィルタ及びパラレルロード共振ハーブブリッジのであることを述べておく。
【００３２】
図８Ａ及び図８Ｂを参照して、典型的なインピーダンス曲線が第一の共振周波数の周りでプロットされており、Ｌ及びＣは、誘導性又は容量性の振る舞いが支配的であることを
それぞれ示している。
【００３３】
本発明のこの態様における直列共振器の動作は、以下の通りである。動作周波数がコンフィギュレーションの自己共振周波数よりも十分に低い周波数であるとき、それぞれの組の螺旋間には大量のキャパシタンスが存在し、直列共振器は、電気エネルギーの観点から、キャパシタのように振舞うシングルポートネットワークであると考えられる場合がある。図８Ｂに示されるように、共振周波数ωで最小のインピーダンスが存在する。より高い周波数では、キャパシタンスは、螺旋の巻きにわたり、及び誘導特性を所有する螺旋巻きの間で分散し、これにより伝送線路のように更に振舞う２ポートネットワークとして機能する。
【００３４】
最も簡単な等価な集中定数パラメータ回路モデルは、等価なキャパシタンスと直列にある等価なインダクタンスを有している。より複雑でより正確なモデルは、変圧器を含んでおり、かかるモデルの複雑さは、伝送線路回路網として考慮することで高次の作用を含むように拡張される場合がある。
【００３５】
図８Ｃ及び図８Ｄに関して、並列共振器のための簡単な等価回路が示されている。共振周波数である動作周波数では、並列共振器は、誘導的に振る舞い、２ポートネットワークとすることができる。共振周波数を超える動作周波数では、並列共振器は、電気エネルギーの観点から、キャパシタのように振舞うシングルポートネットワークであると考慮される場合がある。インピーダンスは、共振周波数で最大である。
【００３６】
さらに、図８Ｆ及び図８Ｇに示されるように、エネルギーを受け及びエネルギーを返すためのパスを提供するための２つの異なるやり方が提供される。
【００３７】
図９Ａは、本発明のＩＯＥＴ９０３が２つのコイルを分離するボードの実施の形態よりも広いことを例示している。図９Ａ及び図９Ｂにおける例に示されるように、ＩＯＥＴは、２つの螺旋の間のスペースである。このケースでは、誘電体９０５からのエネルギーは、一方のコイルに入り、エアコイル変圧器として作用するコイルにわたって伝送される。図９Ｂに示されるように、エネルギー伝送のために利用することができる、コイル間にはキャパシタンスが存在している。図９Ｃは、図９Ｂに示されるＡ１からＡ４へのパスを示している等価回路を例示している。コイル間のスペースであるＩＯＥＴの重要性は、たとえば、ワイヤレスバッテリ充電器のようなワイヤレスコネクションが作られる場合があることである。１つの特定の例では、装置（すなわちセルフォン）のバッテリは、エネルギー源をバッテリにエネルギーを伝送するコイルに接続する物理的なワイヤを使用することなしに再充電される。たとえばバッテリと充電器との間に容量性結合が存在するように、伝送されるエネルギーの周波数及びコイルが選択される場合に、無線結合によってこの特徴が可能となる。
【００３８】
図１０は、上部と下部の並列共振器の等価回路を例示している。ＩＯＥＴ１００３は、ディスクリートなキャパシタのコレクションではなく、上部及び下部の共振器間のＩＯＥＴにわたるキャパシタンスであることを理解されたい。十分に高い周波数で、エネルギー伝送は、共振器にわたる電気エネルギーの形式である。このように、容量性結合は、電気エネルギー伝送を可能にするために達成される。
【００３９】
図１１は、本発明に係る直列共振バッテリ充電器の等価回路図である。この特定のバッテリ充電器は、レベルシフタを有しているが、レベルシフタを持たない充電器を使用することも可能である。
【００４０】
この回路では、異なる螺旋の変圧器が使用される場合がある。それぞれの螺旋の変圧器は、それ自身の漏れインダクタンスＬs及び磁化インダクタンスＬmを有するものとしてモデリングされる場合があり、これにより適切な共振キャパシタンスＣrを計算することができ、所与の負荷の仕様についてシミュレートすることができる。測定では、共振キャパシタンスは、使用される螺旋の変成器について手動で調整される。入力ＤＣがＣ３とＣ５の間のノードから供給され、共振キャパシタＣ２及び整流ダイオードＤ４が短絡され、ダイオードＤ２及びＤ４が取り去られたとき、ボードは、（図１２に示される）アクティブクランプをもつフライバックトポロジーとして再構成することができる。
【００４１】
図１２は、本発明に係るフライバック変圧器を示している。１つの実験は、フライバックトポロジーが直列共振トポロジーの代わりに使用することができるかを調べるために行われている。フライバックトポロジーを使用する多数の利点が存在する。
・図１０における直列共振充電器について４つの代わりに１つのショットキーダイオードが必要とされる。
・整流ダイオードからの少ない（著しい）損失
・デューティサイクル制御による固定された周波数の動作
・共振キャパシタが必要とされない。
・共振キャパシタなしで充電器が例外なくより容易に達成される場合がある。
【００４２】
図１１及び図１２に示される例では、本発明の精神の範囲であって特許請求の範囲にある多くのバリエーションが可能である。
【００４３】
プレーナ型共振器の設計パラメータは、限定されるものではないが、誘電率（すなわち誘電体定数）、透磁率、ＩＯＥＴを含むメディアを含む材料のロスタンジェント、螺旋の巻き数のような、アスペクト比、相対的な長さ、導体の厚さ、材料の特性を含めて物理的な寸法を含んでいる。
【００４４】
さらに、プレーナ型共振器は、バッテリ充電器とのコネクションのための手段を含むか、又はバッテリ充電器へのコネクションが設けられる。
【００４５】
本発明に対して、本発明に精神にあって特許請求の範囲にある様々な変更が行われる場合がある。たとえば、バッテリ等への付属を例示している共振器のレイヤ数、ＩＯＥＴ表面のタイプ、螺旋の数及び厚さ、図面で例示される構造及び明細書で説明される構造から変更することができる。コイルの構成は、特に共振器の構成がファブリックに巻かれるとき、１以上の面を占有する場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１Ａは、本発明で使用される場合がある基本的な螺旋構造を例示する図であり、図１Ｂは、本発明で使用される場合があるバイフレア螺旋構造を例示する図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、本発明に係るプレーナ型共振器の実施の形態を例示しており、図２Ｃは、誘電体及び螺旋が基板材料２４０，２４１内に配置される代替的な構成を例示する図である。
【図３】ＩＯＥＴの周りに巻かれた螺旋の断面部分を例示する図である。
【図４】図１Ａに示される螺旋構造の近似的な等価回路を例示する図である。
【図５】図１Ｂに示される螺旋構造の近似的な等価回路を例示する図である。
【図６】本発明が直列共振器として機能するように構成された螺旋の図解的な構成を例示する図である。
【図７】本発明が並列共振器として機能するように構成された螺旋の図解的な構成を例示する図である。
【図８Ａ】直列構成を表す回路図である。
【図８Ｂ】インピーダンス対周波数のグラフを示しており、典型的なインピーダンス曲線は、第一の共振周波数の回りでプロットされており、Ｌ及びＣは誘導性の振る舞いと容量性の振る舞いのそれぞれ支配的であることを示している。
【図８Ｃ】並列構成を表す回路図である。
【図８Ｄ】インピーダンス対周波数のグラフを示しており、２つの螺旋コイル間でのエネルギー蓄積のために使用されるキャパシタンスのスケッチを表している。
【図８Ｅ】電気的結合によりエネルギーがコンフィギュレーションを入出することができる２つの異なる構成を例示する図である。
【図８Ｆ】電気的結合によりエネルギーがコンフィギュレーションを入出することができる２つの異なる構成を例示する図である。
【図８Ｇ】電気的結合によりエネルギーがコンフィギュレーションを入出することができる２つの異なる構成を例示する図である。
【図９】図９Ａから図９Ｃは、本発明に係るプレーナ型共振器の断面図、２つのコイルの上面図、及び低減された次数の等価回路のそれぞれを例示する図である。
【図１０】等価な上部及び下部の並列共振回路を例示しており、共振器にわたるＩＯＥＴ機能が結合される電気エネルギー及び磁気エネルギーの形式で電力をどのように伝送するかを例示している。
【図１１】本発明に係る直列共振バッテリ充電器の等価回路を例示する回路図である。
【図１２】本発明に係るフライバック変圧器を例示する図である。
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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８Ａ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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