(57)【要約】本明細書中記載されるのは、指定領域上への無線エネルギー移動分配のためのシステムである。複数のリピーター、源およびデバイス共振器を介して、エネルギーを前記領域上に分配させることができる。前記領域内の共振器は調節可能である。デバイス位置および出力必要性を介して、前記領域内のエネルギーまたは磁界の分配を構成することができる。【選択図】      図３０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指定領域に無線エネルギーを分配するシステムであって、
エネルギーソースに連結し、かつ１つの周波数の振動磁場を生成するソース共振器と、
指定領域内で、かつ前記ソース共振器に近接して配置され、共振周波数を有する、少なくとも１つのリピーター共振器と、
前記指定領域内で、前記リピーター共振器のうち少なくとも１つに近接して配置され、共振周波数を有する少なくとも２つの他のリピーター共振器であって、
前記リピーター共振器は、前記指定領域内または前記指定領域に等しい領域のうち少なくとも１つに、有効無線エネルギー伝達領域を設けるリピーター共振器と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記対象とする指定領域は、少なくとも２平方メートルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記対象とする指定領域は、少なくとも１０平方センチメートルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記周波数の振動磁場を生成する少なくとも１つの追加のソース共振器をさらに含むシステムであって、前記少なくとも１つの追加のソース共振器は、指定領域に近接して配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムの前記ソースによって生成される前記振動磁場の前記周波数および前記相対的位相が同期する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムの前記異なるソースによって生成される前記振動磁場の相対的位相は調節可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも１つのリピーター共振器は、容量性負荷導電ループを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記リピーター共振器のうち少なくとも１つは、調節可能な共振周波数を有する、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記リピーター共振器の前記共振周波数は、前記ソース共振器によって生成された前記磁界の前記周波数から離調でき、これにより、前記指定領域内における前記磁場分配を変化させる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
いくつかのリピーターを離調して、前記指定領域の一範囲内の前記磁場を最大化させる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
リピーターの前記離調をネットワークルーティングアルゴリズムに従って遂行する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムの前記共振器間に通信チャンネルをさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記通信チャンネルを用いて前記システムの前記リピーター共振器の離調を調整して特定の磁場分配を得る、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記リピーター共振器は、振幅増大係数Ｑ＞１００である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記リピーター共振器は圧力センサーをさらに含み、かつ前記圧力センサーからの前記情報を使用して前記磁場分配を変化させる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記指定領域は床である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記共振器はフローリング材料と一体化される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記指定領域がは壁である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記一定領域が天井である、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
無線エネルギー伝達フローリングシステムであって、
エネルギーソースへ連結し、かつ１つの周波数の振動磁場を生成する少なくとも１つのソース共振器と、
指定領域内で、かつ前記ソース共振器に近接して配置され、チューン可能な共振周波数を有する、少なくとも１つのリピーター共振器と、
前記指定領域内で、前記リピーター共振器のうち少なくとも１つの他のリピーター共振器に近接して配置され、チューン可能な共振周波数を有する、少なくとも２つの他のリピーター共振器であって、
前記リピーター共振器のうち少なくとも１つの共振器の前記共振周波数を前記少なくとも１つのソースの前記振動磁場の前記周波数から離調させて、前記指定領域内の磁場分配を変化させる、前記少なくとも２つの他のリピーター共振器と、
を含む、システム。
【請求項２１】
前記システムの前記共振器間に通信チャンネルをさらに含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記通信チャンネルを使用して前記システムの前記リピーター共振器の離調を調整させて特定の磁場分配を得る、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記共振器をフローリング材料と一体化させた、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
少なくとも１つのソース共振器からの無線エネルギーをチューン可能なリピーター共振器を有する領域内の特定位置へ分配する方法であって、
前記特定の位置に最も近接するリピーター共振器を決定するステップと、
前記リピーター共振器の前記共振周波数をチューンさせて、前記ソースから前記最も近接するリピーター共振器へのエネルギー伝達経路を提供するステップと、
を含む、方法。
【請求項２５】
前記エネルギー伝達経路内に位置しない離調共振器をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記エネルギー伝達経路を、最短経路アルゴリズムによって決定する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記エネルギー伝達経路を、中央制御によって決定する、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、以下の米国特許出願に対する優先権を主張する。これらの米国特許出願のそれぞれ全体を、参考のため援用する：米国仮出願第６１／３８２，８０６号（出願日：２０１０年９月１４日、米国第１３／２２２，９１５号（出願日：２０１１年８月３１日）、米国第１３／１５４，１３１号（出願日：２０１１年６月６日）、米国第１３／０９０，３６９号（出願日：２０１１年４月２０日）、米国特許出願第１３／０２１，９６５号（出願日：２０１１年２月７日）、米国特許出願第１２／９８６，０１８号（出願日：２０１１年１月６日）。
【０００２】
また、以下の米国特許出願のそれぞれ全体を、参考のため援用する：米国特許出願第１２／７８９，６１１号（出願日：２０１０年５月２８日）、米国特許出願第１２／７７０，１３７号（出願日：２０１０年４月２９日）、米国仮出願第６１／１７３，７４７号（出願日：２００９年４月２９日）、米国出願第１２／７６７，６３３号（出願日：２０１０年４月２６日）、米国仮出願第６１／１７２，６３３号（出願日：２００９年４月２9日）、米国出願第１２／７５９，０４７号（出願日：２０１０年４月１３日）、米国出願第１２／７５７，７１６号（出願日：２０１０年４月９日）、米国出願第１２／７４９，５７１号（出願日：２０１０年３月３０日）、米国出願第１２／６３９，４８９号（出願日：２００９年１２月１６日）、米国出願第１２／６４７，７０５号（出願日：２００９年１２月２８日）、および米国出願第１２／５６７，７１６号（出願日：２００９年９月２５日）、米国出願第６１／１００，７２１号（出願日：２００８年９月２７日）、米国出願第６１／１０８，７４３号（出願日：２００８年１０月２７日）、米国出願第６１／１４７，３８６号（出願日：２００９年１月２６日）、米国出願第６１／１５２，０８６号（出願日：２００９年２月１２日）、米国出願第６１／１７８，５０８号（出願日：２００９年５月１５日）、米国出願第６１／１８２，７６８号（出願日：２００９年６月１日）、米国出願第６１／１２１，１５９号（出願日：２００８年１２月９日）、米国出願第６１／１４２，９７７号（出願日：２００９年１月７日）、米国出願第６１／１４２，８８５号（出願日：２００９年１月６日、米国出願第６１／１４２，７９６号（出願日：２００９年１月６日）、米国出願第６１／１４２，８８９号（出願日：２００９年１月６日）、米国出願第６１／１４２，８８０号（出願日：２００９年１月６日）、米国出願第６１／１４２，８１８号（出願日：２００９年１月６日）、米国出願第６１／１４２，８８７号（出願日：２００９年１月６日）、米国出願第６１／１５６，７６４号（出願日：２００９年３月２日）、米国出願第６１／１４３，０５８号（出願日：２００９年１月７日）、米国出願第６１／１６３，６９５号（出願日：２００９年３月２６日）、米国出願第６１／１７２，６３３号（出願日：２００９年４月２４日）、米国出願第６１／１６９，２４０号（出願日：２００９年４月１４日）、米国出願第６１／１７３，７４７号（出願日：２００９年４月２９日）、米国出願第１２／７２１，１１８号（出願日：２０１０年３月１０日）、米国出願第１２／７０５，５８２号（出願日：２０１０年２月１３日）、および米国仮出願第６１／１５２，３９０号（出願日：２００９年２月１３日）。
【背景技術】
【０００３】
本開示は、転送および応用を達成するための、無線エネルギー移動の方法、システムおよび装置に関する。
【０００４】
関連分野の説明
【０００５】
頻繁に位置移動するデバイス（単数または複数）に対して指定領域上においてエネルギー分配を行う場合、有線接続の利用は非実際的である。デバイスの移動および変化に起因して、ワイヤの絡み、つまずく危険性などが発生し得る。デバイスを内部に含む領域が当該デバイスのサイズよりも大きい場合、当該領域上での無線エネルギー移動は困難になり得る。源およびデバイス無線エネルギー受信モジュールにおいて大規模な不整合が発生した場合、実行を行うための充分なエネルギーの前記デバイスの送達を充分な高効率で行うことが困難になり得るかまたは展開が困難となり得る。
【０００６】
よって、以下のようなエネルギー分配のための方法および設計が必要とされている。すなわち、前記エネルギー分配は、多数の家庭用デバイスおよび産業用デバイスへの出力を実行するための充分な出力を送達可能にしつつ、ワイヤフリーでありかつ容易に展開可能でありかつ構成可能である。
【発明の概要】
【０００７】
より大型の領域上に無線エネルギーを分配するように、共振器および共振器アセンブリを配置することができる。利用可能な無線エネルギー移動共振器および構成要素について、例えば、共同所有されている米国特許出願第１２／７８９，６１１号（米国特許公開第２０１０／０２３７７０９号として２０１０年９月２３日に公開、名称：「ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ  ＡＲＲＡＹＳ  ＦＯＲ  ＷＩＲＥＬＥＳＳ  ＥＮＥＲＧＹ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ」）および米国特許出願第１２／７２２，０５０号（米国特許公開第２０１０／０１８１８４３号として２０１０年７年２２日に公開、名称：「ＷＩＲＥＬＥＳＳ  ＥＮＥＲＧＹ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＦＯＲ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＯＲ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」）に記載がある。同文献の内容全体を、あたかも当該文献全体が本明細書中に記載されているかのように援用する。
【０００８】
本発明の一局面において、リピーター共振器が、指定領域内の１つ以上のソース共振器の周囲に配置される。前記１つ以上の源は、エネルギー源へと接続され得、振動磁場を生成し得る。前記振動磁場は、前記源の周囲の前記リピーター共振器へと転送され得、前記リピーターは、共振器は、前記磁場を前記源の周囲の他のリピーターへと転送し得、これにより前記指定領域上に前記エネルギーを提供する。実施形態において、１０ｃｍ2または２ｃｍ2以上の領域上にエネルギーが提供され得る。
【０００９】
複数の源を備えた分配システムにおいて、前記周波数および前記源の位相を同期させることができる。
【００１０】
本発明の別の局面において、前記分配システムは、調節可能なリピーターを用い得る。前記調節可能なリピーターは、調節可能な共振周波数または他のパラメータを持ち得る。前記指定領域内の磁界分配を変化させるように、前記リピーターのパラメータを動的にまたは定期的に調節することができる。実施形態において、前記システムの共振器および構成要素は、前記システムの共振器および構成要素のチューニングおよびパラメータ調節を調整するための通信能力を持ち得、これにより、前記エネルギーをｐ前記指定領域の特定の領域へと経路設定または分配するか、または、共振器の特定の経路に沿って前記エネルギーを経路設定し得る。前記共振器の特定の経路は、ネットワークルーティングアルゴリズムおよび他の方法を用いて計算することができる。
【００１１】
別の局面において、前記システムの構成要素をフローリング材料（例えば、タイル）と一体化させ、室床または壁または天井へ分配することができる。
【００１２】
１つ以上の局面において、複数の共振器および出力および制御回路を１つのシート内に採用し、所望の寸法にトリムまたは切断することができる。
【００１３】
他に明記無き限り、本開示において、「無線エネルギー移動」、「無線出力転送」、「無線出力伝送」などの用語を相互交換的に用いられる。当業者であれば、本出願において所望される広範な無線システム設計および機能によって多様なシステムアーキテクチャをサポートすることができることを理解する。
【００１４】
本開示において、特定の個々の回路構成要素および要素について言及する（例えば、コンデンサ、インダクタ、レジスタ、ダイオード、変圧器、スイッチなど、これらの要素をネットワーク、トポロジー、回路などとして組み合わせたもの、固有の特性を有する（例えば、オブジェクト全体においてキャパシタンスまたはインダクタンスが分配されたか（または（集中的にではなく）部分的に分配された）「自己共振」オブジェクトを有する）オブジェクト）。当業者であれば、回路またはネットワーク内において可変構成要素を調節および制御することにより、当該回路またはネットワークの性能の調節が可能となり、これらの調節は一般的にチューニング、調節、整合、修正などと呼ばれることを理解する。前記無線出力転送システムの動作点をチューンまたは調節するための他の方法を単独で用いることも可能であるし、あるいは、調節可能な構成要素（例えば、インダクタおよびコンデンサ、またはインダクタおよびコンデンサのバンク）の調節と共に用いることも可能である。当業者であれば、本開示中に記載の特定のトポロジーを多様な様態で実行することが可能であることを認識する。
【００１５】
他に定義無き限り、本明細書中において用いられる技術用語および科学用語は全て、本開示が属する分野の当業者が一般的に理解するような意味と同じ意味を有する。本明細書中において参考のために言及または援用された公開文献、特許出願、特許、および他の参照文献と矛盾が発生した場合、本明細書の定義を優先するものとする。
【００１６】
上記した特徴のうちいずれかは、本開示の範囲から逸脱することなく単独または組み合わせて用いられ得る。本明細書中に開示されるシステムおよび方法の他の特徴、目的および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】無線エネルギー移動構成のシステムブロック図である。
【図２】単純な共振器構造の例示的構造および模式図である。
【図３】シングルエンド増幅器を備えた無線源のブロック図である。
【図４】差動増幅器を備えた無線源のブロック図である。
【図５】感知回路のブロック図である。
【図６】無線源のブロック図である。
【図７】増幅器パラメータに対するデューティサイクルの影響を示すプロットである。
【図８】スイッチング増幅器を備えた無線出力源の簡単な回路図である。
【図９】無線出力源パラメータの変化による影響のプロットを示す。
【図１０】無線出力源パラメータの変化による影響のプロットを示す。
【図１１】無線出力源パラメータの変化による影響のプロットを示す。
【図１２】無線出力源パラメータの変化による影響のプロットを示す。
【図１３】無線エネルギー移動システムの簡単な回路図である。前記無線エネルギー移動システムは、スイッチング増幅器および無線出力デバイスを備えた無線出力源を含む。
【図１４】無線出力源パラメータの変化による影響のプロットを示す。
【図１５】共振器図であり、磁石材料タイル間の不規則間隔に起因する可能な不均一な磁界分配を示す。
【図１６】磁石材料ブロック内のタイル配置によって前記磁石材料ブロック中のホットスポットを低減することが可能な共振器である。
【図１７Ａ】より小型の個々のタイルを含む磁石材料ブロックを備えた共振器である。
【図１７Ｂ】熱管理に用いられる熱伝導性材料ストリップをさらに含む共振器である。
【図１７Ｃ】熱管理に用いられる熱伝導性材料ストリップをさらに含む共振器である。
【図１８】帯域内通信チャンネルおよび帯域外通信チャンネルを備えた無線エネルギー移動システムのブロック図である。
【図１９】帯域外通信チャンネルを用いてエネルギー移動チャンネルを確認するために用いられ得る工程である。
【図２０】複数の伝導体シェルを含む導体ワイヤの等角図である。
【図２１】複数の伝導体シェルを含む導体ワイヤの等角図である。
【図２２】固体導体ワイヤのための電流分布を示すプロットである。
【図２３】２５個の伝導体シェルを含む導体ワイヤのための電流分布を示すプロットである。
【図２４】２５個の伝導体シェルを含む導体ワイヤのための電流分布を示すプロットである。
【図２５】、全径１ｍｍである最適化導電性シェル構造の抵抗と、同一直径の固体伝導体のＡＣ抵抗との間の比を示すプロットである。
【図２６】、全径１ｍｍである最適化導電性シェル構造の抵抗と、同一伝導体（２１．６ｍΩ／ｍ）のＤＣ抵抗との間の比を示すプロットである。
【図２７】全径１ｍｍである最適化導電性シェル構造の抵抗と、同一要素数であるが銅コア周囲において（最適化された）均一厚さを有するシェルの抵抗との間の比を示すプロットである。
【図２８】は、無線出力がイネーブルされた床タイルの実施形態の図である。
【図２９】無線出力がイネーブルされた床タイルの実施形態のブロック図である。
【図３０】無線出力がイネーブルされた床システムの図である。
【図３１】切断可能なシートとして構成された共振器の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上述したように、本開示は、結合電磁石共振器を用いた無線エネルギー移に関する。しかし、このようなエネルギー移動は電磁石共振器に限定されず、本明細書中に記載の無線エネルギー移動システムはより一般的であり、広範かつ多様な共振器および共振オブジェクトを用いて実行することができる。
【００１９】
当業者であれば、共振器を用いた出力転送について重要な考慮事項として、共振器効率および共振器結合があることを認識する。このような問題についての広範な議論（例えば、結合モード理論（ＣＭＴ）、結合係数および要素、品質係数（Ｑ要素とも呼ばれる）ならびにインピーダンス整合が、例えば、米国特許出願第１２／７８９，６１１号（２０１０年９月２３日にＵＳ２０１００２３７７０９として公開、名称：「共振器アレイＳＦＯＲ無線エネルギー転送」）および米国特許出願第１２／７２２，０５０号（ＵＳ２０１００１８１８４３として２０１０年７月２２日に公開、名称：「無線エネルギー移動ＦＯＲＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＯＲＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」）に記載がある。同文献の内容全体を、あたかも当該文献全体が本明細書中に記載されているかのように援用する。
【００２０】
共振器は、少なくとも２つの異なる形態のエネルギーを保存することが可能な共振構造として定義され得、前記保存されたエネルギーは２つの形態の間で振動する。前記共振構造は、共振（モード）周波数ｆおよび共振（モード）フィールドを有する特定の振動モードを有する。角度共振周波数ωはω＝2πｆとして定義され得、共振期間ＴはＴ＝１／ｆ＝２π／ωとして定義され得、共振波長λはλ＝ｃ／ｆとして定義され得る。ｃは、関連付けられた界波（電磁石共振器の場合は光）の速度である。損失機構、結合機構または外部エネルギー供給または枯渇機構が無い場合、共振器によって保存されたエネルギー送料Ｗは一定のままであるが、前記エネルギーの形態は前記共振器によって支援された２つの形態間において振動し、片方が最小になったとき他方が最大になる関係になる。
【００２１】
例えば、前記２つの形態の保存されたエネルギーが磁気エネルギーおよび電気エネルギとなるように、共振器を構築することができる。さらに、磁界によって保存された磁気エネルギーが主に前記共振器周囲の領域内にある状態において、電界によって保存された電気エネルギーが主に前記構造内に閉じ込められるように、前記共振器を構築することができる。換言すれば、電気エネルギーおよび磁石エネルギーの合計は等しいが、その局所化は異なる。このような構造を用いて、少なくとも２つの構造間のエネルギーを前記少なくとも２つの共振器の共振磁石近距離場によって調節することができる。これらの種類の共振器は、磁石共振器と呼ばれ得る。
【００２２】
無線出力伝送システムにおいて用いられる共振器の重要なパラメータとして、共振器の品質係数またはＱ−要素またはＱがある。この品質係数は、エネルギー減衰を特徴付け、共振器のエネルギー損失に反比例する。Ｑ＝ω＊Ｗ／Ｐと定義付けることができる。Ｐは、定常状態における時間平均出力損失である。すなわち、高Ｑを有する共振器は、比較的低い固有損失を有し、エネルギー保存を比較的長時間行うことができる。共振器は固有減衰率２Γにおいてエネルギーを損失するため、そのＱ（固有Ｑとも呼ばれる）はＱ＝ω／２Γによって得られる。品質係数は、振動期間数Ｔも示す。振動期間数Ｔは、共振器中のエネルギーが係数ｅー2πだけ減衰するのにかかる数である。共振器の品質係数または固有品質係数またはＱは、固有損失機構のみに起因する点に留意されたい。発電機ｇまたは負荷ｌに接続されたかまたは結合された共振器のＱは、「負荷品質係数」または「負荷Ｑ」と呼ばれ得る。エネルギー移動システムの一部ではない外部オブジェクトの存在下の共振器のＱは、「摂動品質係数」または「摂動Ｑ」と呼ばれ得る。
【００２３】
近距離場の任意の部分を通じて接続された共振器は、相互作用し、エネルギーを交換することができる。共振器実質的に同じ共振周波数で動作する場合、このエネルギー移動の効率を大幅に向上させることができる。非限定的な例示目的のため、ソース共振器Ｑsおよびデバイス共振器Ｑdを想定されたい。高Ｑ無線エネルギー移動システムは、高Ｑの共振器を用いることができる。各共振器のＱを高くすることができる。共振器Ｑ’ｓの幾何平均である
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を高くしてもよい。
【００２４】
結合要素ｋは、０≦｜ｋ｜≦１の数であり、サブ波長距離に配置されたとき、源およびデバイス共振器の共振周波数から独立する（かまたはほぼ独立する）ことができる。すなわち、結合要素ｋは、源およびデバイス共振器間の相対的ジオメトリおよび距離によって主に決定することができ、その結合を媒介する界の物理的崩壊法則を考慮する。ＣＭＴにおいて用いられる結合係数である
2013543718.tif 000004
は、共振周波数の高い関数および共振器構造の他の特性であり得る。共振器の近距離場を用いた無線エネルギー移動の用途においては、共振器のサイズを共振波長よりもずっと小さくすることが望ましく、これにより、放射に起因する出力損失が低減する。いくつかの実施形態において、高Ｑ共振器はサブ波長構造である。いくつかの電磁石実施形態において、高Ｑ共振器構造は、共振周波数が１００ｋＨｚよりも高くなるように設計される。他の実施形態において、共振周波数は１ＧＨｚ未満であり得る。
【００２５】
例示的実施形態において、共振器の共振周波数およびシステムの動作周波数を低下させることにより、これらのサブ波長共振器によって遠距離場内へと放射された出力をさらに低下させることができる。他の実施形態において、２つ以上の共振器の遠距離場を前記遠距離場内において破壊的に干渉するように配置することにより、遠距離場放射を低下させることができる。
【００２６】
無線エネルギー移動システムにおいて、共振器は、無線エネルギー源、無線エネルギー受信デバイス、リピーターまたはこれらの組み合わせとして用いられ得る。実施形態において、共振器は、エネルギー転送、エネルギー受信またはエネルギーリレーを交互に行い得る。無線エネルギー移動システムにおいて、１つ以上の磁石共振器をエネルギー源に接続することができ、前記１つ以上の磁石共振器を能動的化することで、振動磁石近距離場を生成する。前記振動磁石近距離場内の他の共振器は、これらの界を取得し、エネルギーを電気エネルギーへと変換することができ、前記電気エネルギーを用いて、負荷への出力または充電を行うことにより、有用なエネルギーの無線転送が可能となる。
【００２７】
有用なエネルギー交換におけるいわゆる「有用な」エネルギーは、エネルギーまたは出力であり、デバイスへの出力または充電を受容可能な速度で行うために前記デバイスへと送達させる必要がある。有用なエネルギー交換に対応する転送効率は、システムまたは用途に依存し得る。例えば、高出力車両への充電用途においては、車両電池への再充電を転送システムの多様な構成要素の大幅加熱を引き起こすことなく行うための充分な有用なエネルギー交換を得るための有用量の出力を供給するためには、キロワットの出力転送の効率を少なくとも８０％とする必要がある。いくつかの家電用途において、有用なエネルギー交換は、１０％を越える任意のエネルギー移動効率または再充電可能な電池を「満タン」にしかつ長期間可動させるための他の任意の量を含み得る。移植医療デバイスの用途において、有用なエネルギー交換は、患者を傷つけずかつ電池寿命を延ばすかまたはセンサーまたはモニターまたは刺激装置を起動させる任意の交換であり得る。このような用途において、出力を１００ｍＷ以下とすると有用であり得る。分散型感知用途において、マイクロワットの出力転送が有用であり得、転送効率は１％を大幅に下回り得る。
【００２８】
出力または再充電用途における無線エネルギー移動のための有用なエネルギー交換は、エネルギー浪費レベル、熱放散および関連付けられた電界強度が受忍限度内でありかつ関連要素（例えば、コスト、重量、サイズ）と適切にバランスがとられれば、効率的であるか、高効率であるかまたは充分に効率的であり得る。
【００２９】
共振器は、ソース共振器、デバイス共振器、第１の共振器、第２の共振器、リピーター共振器などと呼ばれ得る。実行様態は、３つ以上の共振器を含み得る。例えば、単一のソース共振器は、複数のデバイス共振器または複数のデバイスへエネルギーを転送し得る。エネルギーを第１のデバイスから第２のデバイスへと転送した後、第２のデバイスから第３のデバイスへと転送するといった具合に転送を行うことができる。複数の源からエネルギーを単一のデバイスまたは単一のデバイス共振器へ接続された複数のデバイスまたは複数のデバイス共振器へ接続された複数のデバイスへと転送することができる。共振器は、源、デバイスとして交互にまたは同時に機能することができかつ／または前記共振器を用いて、１つの位置における源から別の位置におけるデバイスへと出力リレーを行うことができる。中間電磁石共振器を用いて、無線エネルギー移動システムの距離範囲を拡張しかつ／または磁石近距離場の集中領域を生成することができる。複数の共振器をデイジーチェーン接続し、拡張した距離上においてかつ広範な源およびデバイスによってエネルギー交換を行うことができる。例えば、ソース共振器は、いくつかのリピーター共振器を介して出力をデバイス共振器へと転送することができる。源からのエネルギーを第１のリピーター共振器へと転送することができ、前記第１のリピーター共振器は、前記出力を第２のリピーター共振器へと転送することができ、第２のリピーター共振器から第３のリピーター共振器へと転送することができ、最終リピーター共振器からエネルギーがデバイス共振器へと転送されるまで、その後同様に転送を続ける。この点について、リピーター共振器を追加することにより、無線エネルギー移動の範囲または距離はを拡張しかつ／または個別調整することができる。高出力レベルを複数の源間において分割し、複数のデバイスへと転送し、遠距離位置において再度組み合わせることができる。
【００３０】
結合モード理論モデル、回路モデル、電磁界モデルなどを用いて、共振器を設計することができる。調節可能な特性サイズを有するように、共振器を設計することができる。異なる出力レベルを取り扱うように、共振器を設計することができる。例示的実施形態において、高出力共振器において、より低い出力共振器よりも大型の伝導体およびより高い電流または電圧定格構成要素が必要となり得る。
【００３１】
図１は、例示的構成および無線エネルギー移動システムの配置を示す。無線エネルギー移動システムは、少なくとも１つのソース共振器（Ｒ１）１０４（任意選択的にＲ６、１１２）を含み得る。少なくとも１つのソース共振器（Ｒ１）１０４（任意選択的にＲ６、１１２）は、エネルギー源１０２および任意選択的にセンサーおよび制御ユニット１０８へと接続される。前記エネルギー源は、ソース共振器１０４の駆動に利用することが可能な電気エネルギーへ変換可能な任意の種類のエネルギー源であり得る。前記エネルギー源は、電池、太陽電池パネル、電気主管、風力タービンまたは水力タービン、電磁石共振器、発電器などであり得る。磁石共振器の駆動に用いられる電気エネルギーは、共振器によって振動磁場へ変換される。前記振動磁場は、他の共振器によって獲得され得る。前記他の共振器は、デバイス共振器（Ｒ２）１０６、（Ｒ３）１１６であり得、エネルギー枯渇１１０へと任意選択的に接続される。前記振動磁場は、リピーター共振器（Ｒ４、Ｒ５）へと任意選択的に接続され得る。リピーター共振器（Ｒ４、Ｒ５）は、無線エネルギー移動領域を拡張または個別調整するように構成される。デバイス共振器は、ソース共振器（単数または複数）、リピーター共振器および他のデバイス共振器の近隣の磁界を獲得し得、前記磁界を電気エネルギーへ変換することができる。前記電気エネルギーは、エネルギー枯渇によって用いられ得る。エネルギー枯渇１１０は、電気デバイス、電子デバイス、機械デバイスまたは化学デバイスなどであり得、電気エネルギーを受け取るように構成される。リピーター共振器は、源、デバイスおよびリピーター共振器（単数または複数）の近隣の磁界を獲得し、エネルギーを他の共振器へと送ることができる。
【００３２】
無線エネルギー移動システムは、エネルギー源１０２に接続された単一のソース共振器１０４と、エネルギー枯渇１１０に接続された単一のデバイス共振器１０６とを含み得る。実施形態において、無線エネルギー移動は、システムは、１つ以上のエネルギー源に接続された複数のソース共振器を含み得、１つ以上のエネルギー枯渇に接続された複数のデバイス共振器を含み得る。
【００３３】
実施形態において、ソース共振器１０４およびデバイス共振器１０６へエネルギーを直接転送することができる。他の実施形態において、エネルギーを１つ以上のソース共振器１０４および１１２から１つ以上のデバイス共振器１０６および１１６へと任意の数の中間共振器を介して転送することができる。前記任意の数の中間共振器は、デバイス共振器、ソース共振器、リピーター共振器などであり得る。共振器１１４のネットワークまたは配置構成を介してエネルギー転送を行うことができる。共振器１１４のネットワークまたは配置構成は、トークンリング、メッシュ、臨時などのトポロジーの任意の組み合わせで配置されたサブネットワーク１１８および１２０を含み得る。
【００３４】
実施形態において、無線エネルギー移動システムは、集中型感知および制御システム１０８を含み得る。実施形態において、システムの特定の動作パラメータを満足するよう、共振器のパラメータ、エネルギー源、エネルギー枯渇、ネットワークトポロジー、動作パラメータなどを制御プロセッサによって監視および調節することができる。中央制御プロセッサは、グローバルエネルギー移動効率の最適化、出力転送量の最適化などを行うように、システムの個々の構成要素のパラメータを調節することができる。実質的に分散型の感知および制御システムを有するように、他の実施形態を設計することができる。感知および制御を各共振器または共振器群、エネルギー源、エネルギー枯渇などに採用することができ、前記群中の個々の構成要素のパラメータを調節して、送達出力の最大化、前記群中のエネルギー移動効率の最大化などを行うように構成することができる。
【００３５】
実施形態において、無線エネルギー移動システムの構成要素は、無線または有線データ通信リンクｓｔｏ他の構成要素（例えば、デバイス、源、リピーター、出力源、共振器）を持ち得、分散型集中型の感知および制御を可能にするためのデータを送信または受信することができる。無線通信チャンネルは、無線エネルギー移動チャンネルと別個にしてもよいし、同一にしてもよい。一実施形態において、出力交換に用いられる共振器を用いて、情報を交換することもできる。場合によっては、源またはデバイス回路内の構成要素を変調し、ポートパラメータまたは他の監視装置の変化を感知することにより、情報交換を行われる。共振器パラメータ（例えば、システム内の他の共振器の反射インピーダンスへ影響を与え得る共振器インピーダンス）のチューニング、変更、改変、ディザリングなどを行うことにより、共振器相互間の信号送信が可能となる。本明細書中にシステムおよび方法を用いることにより、無線出力伝送システム内の共振器間の出力および通信信号の同時伝送が可能となり、あるいは、異なる期間時においてまたは異なる周波数において、無線エネルギー移動時において用いられる同一磁界を用いて出力および通信信号の伝送が可能となる。他の実施形態において、別個の無線通信チャンネル（例えば、ＷｉＦｉ、ブルートゥース、赤外線、ＮＦＣ）を用いて無線通信を可能にすることができる。
【００３６】
実施形態において、無線エネルギー移動システムは複数の共振器を含み得、ステム内の多様な要素の制御により全体的システム性能を向上させることができる。例えば、より低い出力要求のデバイスの共振周波数を、より高い出力要求のデバイスへ電源する高出力源の共振周波数から離れた共振周波数に調整することができる。別の例として、より低出力を必要とするデバイスが源からより低出力を引き出すように、前記デバイスの整流器回路を調節することができる。これらの様態において、低出力デバイスおよび高出力デバイスは、安全に動作するかまたは単一の高出力源から充電することができる。加えて、充電ゾーン内の複数のデバイスは、前記デバイスにとって利用可能な出力を発見することができる。この利用可能な出力は、多様な消費制御アルゴリズム（例えば、先着順、ベストエフォート、保証出力）のうち任意のものに従って調整される。前記出力消費アルゴリズムは本質的に階層構造とすることができ、これにより、特定のユーザまたは特定の首里委のデバイスへ優先順位を付与することができるし、あるいは、源内において利用可能な出力を均等共有することにより、任意の数のユーザを支援することもできる。本開示中に記載される多重化技術のうち任意のものにより、出力を共有することができる。
【００３７】
実施形態において、形状、構造および構成の組み合わせを用いて、電磁石共振器を実現または実行することができる。電磁石共振器の例を挙げると、誘導要素、分配インダクタンス、またはインダクタンスと合計インダクタンスＬおよび容量要素との組み合わせ、分布キャパシタンス、またはキャパシタンスと合計キャパシタンスＣとの組み合わせがある。キャパシタンス、インダクタンスおよび抵抗を含む電磁石共振器の最小回路モデルを図２Ｆに示す。前記共振器は、誘導要素２３８および容量要素２４０を含み得る。初期エネルギー（例えば、コンデンサ２４０中に保存された電界エネルギー）が提供されると、コンデンサから転送エネルギーがインダクタ２３８中に保存された磁界エネルギーへと放出されるる間、システムが振動し、その結果、コンデンサ２４０中に保存された電界エネルギー中へとエネルギーが転送される。これらの電磁石共振器中の固有損失を挙げると、誘導および容量要素中の抵抗に起因する損失および放射損失にに起因する損失がある。前記固有損失を、図２Ｆ中のレジスタＲ２４２によって示す。
【００３８】
図２Ａは、例示的磁石共振器構造の簡単な図である。この磁石共振器は、誘導要素２０２として機能する伝導体ループと、前記伝導体ループの端部に設けられた容量要素２０４とを含み得る。電磁石共振器のインダクタ２０２およびコンデンサ２０４はバルク回路要素であってもよいし、あるいは、前記インダクタンスおよびキャパシタンスを分布させて、前記構造における伝導体の形成、形状または配置様態から得てもよい。
【００３９】
例えば、図２Ａに示す表面を封入するように伝導体を形状形成することにより、インダクタ２０２を実現することができる。この種の共振器は、容量性負荷ループインダクタと呼ばれ得る。「ループ」または「コイル」の用語は主に導電性構造（などワイヤ、管、細長片）を指し、任意の形状および寸法ならびに任意の数の角部を有する表面を封入する点に留意されたい。図２Ａにおいて、前記封入された表面領域は円形であるが、前記表面は広範かつ多様な他の形状およびサイズのうちいずれかであってよく、特定のシステム性能仕様を達成するように設計することができる。実施形態において、インダクタおよびインダクタンスのインダクタ要素、分配インダクタンス、ネットワーク、アレイ、直接および並列組み合わせなどを用いてインダクタンスを実現することができる。インダクタンスは固定してもよいしあるいは変更してもよく、インピーダンス整合および共振周波数動作条件を変化させるように用いることができる。
【００４０】
共振器構造のための所望の共振周波数を達成するために必要なキャパシタンスを実現するための多様な方法がある。図２Ａに示すようにコンデンサプレート２０４を形成および利用してもよいし、あるいは、多ループ伝導体の隣接巻線間にキャパシタンスを分布および実現してもよい。コンデンサ要素、分布キャパシタンス、ネットワーク、アレイ、キャパシタンスの直列および並列組み合わせなどを用いてキャパシタンスを実現することができる。キャパシタンスは固定してもよいしあるいは変更してもよく、インピーダンス整合および共振周波数動作条件を変化させるように用いることができる。
【００４１】
磁石共振器において用いられる誘導要素は、１つよりも多くのループを含み得、および螺旋状内側方向または外側方向にあるいは下方方向またはいくつかの方向組み合わせにおいて螺旋状にされ得る。一般的に、磁石共振器は、多様な形状、サイズおよび角部数を持ち得、多様な導電性材料によって構成され得る。例えば、伝導体２１０は、導電性インク、塗料、ゲルなどから形成されたかまたは回路基板上に印刷された単一または複数の配線から形成されたワイヤ、リッツ線、リボン、パイプ、配線であり得る。誘導ループを形成する基板２０８上の配線パターンの例示的実施形態を図２Ｂ中に示す。
【００４２】
実施形態において、誘導要素は、任意のサイズ、形状、厚さなどの磁石材料を用いて形成することができ、また、広範囲の透過性値および損失値の材料を用いて形成することができる。これらの磁石材料は固体ブロックであり得、中空体を封入し得、敷設および／または相互に積み重ねられた多数のより小型磁石材料片から形成され得、高導電性材料で構成された導電性シートまたは筺体と一体化され得る。磁界を生成するように、磁石材料を伝導体で包囲することができる。前記構造の１つの１よりも多くの軸の周囲をこれらの伝導体で被覆することができる。前記磁石材料の周囲を複数の伝導体で被覆し、前記材料を並列または直列あるいはスイッチを介して組み合わせて、カスタマイズされた近距離場パターンの形成および／または前記構造の双極子モーメントの方向付けを行うことができる。磁石材料を含む共振器の例を図２Ｃ、図２Ｄおよび図２Ｅに示す。図２Ｄにおいて、共振器は、伝導体２２４のループを含む。伝導体２２４のループは、磁石材料２２２のコア周囲を被覆し、これにより、磁石双極子モーメント２２８を有する構造を提供する。磁石双極子モーメント２２８は、伝導体２２４のループの軸に対して平行である。前記共振器は、伝導体２１６および２１２の複数のループを含み得る。伝導体２１６および２１２の複数のループは、磁石材料２１４の周囲において直交方向に被覆され、これにより、共振器を磁石双極子モーメント２１８および２２０と共に形成する。磁石双極子モーメント２１８および２２０は、図２Ｃに示すように前記伝導体が駆動される様態に応じて１つよりも多くの方向において方向付けられ得る。
【００４３】
電磁石共振器は、その物理的特性によって決定される特性周波数、固有周波数または共振周波数を持ち得る。この共振周波数は、電界ＷEによって保存されたエネルギー（ＷE＝ｑ2／２Ｃ、ｑはコンデンサＣ上の電荷である）と、共振器の磁界ＷBによって保存されたエネルギー（ＷB＝Ｌｉ2／２、ｉはインダクタＬ内を通過する電流）との間で共振器によって保存されたエネルギーが振動する周波数である。このエネルギーが交換される周波数は、前記共振器の特性周波数、固有周波数または共振周波数と呼ばれ得、ωによって得られる。
2013543718.tif 000005
前記共振器のインダクタンスＬおよび／またはキャパシタンスＣをチューニングすることにより、前記共振器の共振周波数を変更することができる。一実施形態において、システムパラメータを動的に調節可能またはチューンすることにより、最適な動作条件にできるだけ近づけることができる。しかし、上記記載に基づけば、いくつかのシステムパラメータが非可変であるかまたは構成要素の動的調節が不可能である場合においても、充分に効率的なエネルギー交換を実現することができる。
【００４４】
実施形態において、共振器は、コンデンサおよび回路要素のネットワークとして配置された１つよりも多くのコンデンサへ接続された誘導要素を含み得る。実施形態において、コンデンサおよび回路要素の接続ネットワークを用いて、共振器の１つよりも多くの共振周波数を定義することができる。実施形態において、共振器は、１つよりも多くの周波数において共振するかまたは部分的にし得る。
【００４５】
実施形態において、無線出力源は、電源に接続された少なくとも１つの共振器コイルを含み得る。前記電源は、スイッチング増幅器（例えば、クラスＤ増幅器またはクラスＥ増幅器またはこれらの組み合わせ）であり得る。この場合、前記共振器コイルは、電源への有効な電力負荷である。実施形態において、無線出力デバイスは、電力負荷に接続された少なくとも１つの共振器コイルを含み得る。前記電力負荷は、スイッチング整流器（例えば、クラスＤ整流器またはクラスＥ整流器またはこれらの組み合わせ）であり得る。この場合、共振器コイルは電力負荷のための有効な電源であり、前記負荷のインピーダンスは、共振器コイルからの負荷の排出速度にも直接関連する。電源と電力負荷との間の出力伝送の効率は、出力源の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどれくらい密接に整合しているかによって影響を受け得る。負荷の入力インピーダンスが電源の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、可能な最大効率で出力を負荷に送達することが可能となる。最大出力伝送効率が得られるように電源または電力負荷インピーダンスを設計することをしばしば「インピーダンス整合」と呼び、また、システム内の有用出力と損失出力との間の比の最適化とも呼ぶ。ネットワークまたは複数組の要素（例えば、コンデンサ、インダクタ、変圧器、スイッチ、レジスタ）を追加することでインピーダンス整合ネットワークを電源と電力負荷との間に形成することにより、インピーダンス整合を行うことができる。実施形態において、要素位置決めにおける機械調節および変更を用いて、インピーダンス整合を達成することができる。負荷の変更のため、前記インピーダンス整合ネットワークは、可変構成要素を含み得る。これらの可変構成要素を動的に調節することにより、動的環境および動作シナリオにおいても、電源の負荷および特性インピーダンスの方を向いている電源端子におけるインピーダンスが実質的に相互に確実に複素共役となる。
【００４６】
実施形態において、電源の駆動信号のデューティサイクルおよび／また位相および／または周波数を調節するかまたは電源内の物理的構成要素（例えば、コンデン）を調節することにより、インピーダンス整合を達成することができる。このような調節機構を用いると、調節可能なインピーダンス整合ネットワークを必要とすることなくまたは簡単な調節可能なインピーダンス整合ネットワーク（例えば、より少数の調節可能な構成要素）を用いて電源と負荷との間のインピーダンス整合が可能となるため、有利である。実施形態において、電源への駆動信号のデューティサイクルおよび／または周波数および／または位相を調節することにより、動的インピーダンス整合システムが得られ、例えばチューニング範囲または精度が向上し、出力、電圧および／または電流能力が向上し、電子制御が高速になり、必要な外部構成要素が少数となる。
【００４７】
いくつかの無線エネルギー移動システムにおいて、共振器のパラメータ（例えば、インダクタンス）が環境条件（例えば、周囲の物、温度または方向、他の共振器の数および位置）によって影響を受ける場合がある。共振器の動作パラメータが変化した場合、特定のシステムパラメータも変化し得る（例えば、無線エネルギー移動における出力転送効率）。例えば、高伝導度材料が共振器の近隣に配置された場合、共振器の共振周波数が移動し得、前記共振周波数は他の共振オブジェクトから離調される。いくつかの実施形態において、共振器フィードバック機構が用いられる。前記共振器フィードバック機構は、反応要素（例えば、誘導要素または容量要素）を変更することにより、その周波数を修正する。受容可能な整合条件を達成するために、システムパラメータのうち少なくとも一部を動的に調節可能または調節可能とする必要があり得る。全てのシステムパラメータを動的に調節可能または調節可能とすることにより、ほぼ最適な動作条件が達成される。しかし、全てまたは一部のシステムパラメータが非可変である場合も、充分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。いくつかの例において、デバイスのうち少なくとも一部が動的に調節され得る。いくつかの例において、源のうち少なくとも一部が動的に調節不可能であり得る。いくつかの例において、中間共振器のうち少なくとも一部が動的に調節不可能であり得る。いくつかの例において、システムパラメータ全てが動的に調節不可能であり得る。
【００４８】
いくつかの実施形態において、動作環境または動作点に差が発生した場合において特性が相補的様式または対照的様式または方向において変化する構成要素を選択することにより、構成要素のパラメータの変化を軽減することができる。実施形態において、温度、出力レベル、周波数などに起因して反対の依存性またはパラメータ変動を有する構成要素（例えば、コンデンサ）と共にシステムを設計することができる。いくつかの実施形態において、構成要素値を温度の関数としてシステムマイクロコントローラ中のルックアップテーブル中に保存し、温度センサーからの読み取り値をシステム制御フィードバックループにおいて用いて、他のパラメータを調節して、温度に起因する構成要素値の変化を補償する。
【００４９】
いくつかの実施形態において、構成要素のパラメータ値の変化を、調節可能な構成要素を含む能動的チューニング回路により補償することができる。構成要素およびシステムの動作環境および動作点を監視する回路を、設計において統合することができる。前記監視回路は、構成要素のパラメータ変化を能動的に補償するために必要な信号を提供し得る。例えば、温度読み取り値を用いて、システムのキャパシタンスの予測変化の計算または以前の測定値の表示を行うことができ、これにより、他のコンデンサまたはチューニングコンデンサにおける切り換えによる補償が可能となり、所望のキャパシタンスを一定範囲の温度において維持することができる。実施形態において、ＲＦ増幅器スイッチング波形を調節して、システム中の構成要素値または負荷変化を補償することができる。いくつかの実施形態において、能動的冷却、加熱、能動的環境調整などにより、構成要素パラメータの変化を補償することができる。
【００５０】
パラメータ測定回路は、システム中の特定の出力、電圧、および電流、信号を監視することができ、プロセッサまたは制御回路は、これらの測定に基づいて特定の設定または動作パラメータを調節することができる。加えて、システム全体における電圧および電流信号の大きさおよび位相ならびに出力信号の大きさにアクセスして、システム性能を測定または監視する必要があり得る。本開示全体において言及される測定信号は、ポートパラメータ信号および電圧信号、電流信号、出力信号、温度信号などの任意の組み合わせであり得る。これらのパラメータは、アナログまたはデジタル技術を用いて測定することができ、サンプリングおよび処理が可能であり、また、複数の公知のアナログおよびデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換が可能である。実施形態において、事前設定された値の特定の測定数量がシステムコントローラまたはメモリ位置中に付加され、多様なフィードバックおよび制御ループにおいて用いられる。実施形態において、測定信号、監視信号および／または事前設定された信号の任意の組み合わせをフィードバック回路またはシステムにおいて用いて、共振器および／またはシステムの動作を制御することができる。
【００５１】
調節アルゴリズムを用いて、磁石共振器の周波数Ｑおよび／またはインピーダンスを調節することができる。前記アルゴリズムは、システムの所望の動作点からの逸脱レベルに関連する基準信号を入力としてとり得、前記逸脱に関連する修正または制御信号を出力し得る。前記修正または制御信号は、前記システムの可変要素または調節可能な要素を制御して、前記システムを前記所望の動作点（単数または複数）へ戻す。前記磁石共振器のための基準信号は、前記共振器が無線出力伝送システムにおいて出力を交換しているときに取得することができ、あるいは、システム動作時において切り換えてもよい。前記システムに対する修正の適用または実行は、例えば、連続的に行ってもよいし、定期的に行ってもよいし、閾値に到達した際に行ってもよいし、デジタル的に行ってもよいし、アナログ方法を用いて行ってもよい。
【００５２】
実施形態において、損失性外部材料およびオブジェクトに起因して、無線出力伝送システムの共振器の磁石かつ／または電気エネルギーが吸収された結果、効率低下が発生する場合がある。多様な実施形態において、損失性外部材料およびオブジェクトによる影響を最小化するように共振器を位置決めしかつ影響が最小限になるように構造フィールド形成要素（例えば、導電性構造、プレートおよびシート、磁石材料構造、プレートおよびシート、ならびにこれらの組み合わせ）を配置することにより、これらの影響を軽減することができる。
【００５３】
共振器への損失性材料による影響を低減するための１つの方法として、高伝導度材料、磁石材料またはこれらの組み合わせを用いて、損失性オブジェクトを回避するように共振器フィールドを形成する方法がある。例示的実施形態において、高伝導度材料および磁石材料の積層構造は、例えば共振器の電磁界を個別調整、形成、方向付け、再方向付けすることができ、これにより、フィールドを屈折させることにより近隣において損失性オブジェクトを回避することができる。図２Ｄは、共振器の上面図である。図２Ｄにおいて、シート状の伝導体２２６が磁石材料の下側に設けられる。前記磁石材料を用いて共振器のフィールドを個別調整することにより、伝導体２２６のシートの下側にあり得る損失性オブジェクトを回避することができる。伝導体２２６の層またはシートは、任意の高伝導度材料を含み得る（例えば、銅、銀、アルミニウム）。なぜならばこれらの材料のうちほとんどは、所与の用途に最適であるからである。特定の実施形態において、前記良伝導体の層またはシートは、共振器の動作周波数において、前記伝導体よりも厚い表皮厚さを有する。前記伝導体シートは好適には、共振器の物理的範囲を超えて、前記共振器のサイズよりも大きなサイズである。
【００５４】
伝送されている出力量が能動的フィールド範囲に侵入し得る人間または動物において危害を加え得る環境およびシステムにおいて、安全策をシステム内に設けることができる。実施形態において、出力レベルに起因して共振器の個別の安全策、パッケージング、構造、材料などが必要となる場合、磁石共振器中の導電ループから間隔または「隔離」ゾーンが得られるように、前記出力レベルを設計することができる。さらなる保護を得るために、高Ｑ共振器および出力および制御回路を筺体内に配置することができる。前記筺体は、高電圧または電流を前記筺体内に封じ込め、また、共振器および電気構成要素を天候、湿気、砂、埃および他の外部要素ならびに衝撃、振動、擦れ、爆発および他の種類の機械的衝撃から保護する。このような筺体を用いる場合、多様な要素（例えば、熱散逸）に注意を払って、電気構成要素および共振器の受容可能な動作温度範囲を維持する必要がある。実施形態において、筺体は、非損失性材料（例えば、複合材料、プラスチック、木材、コンクリート）で構成することができ、損失性オブジェクトから共振器構成要素への距離が最小になるように、筺体を用いることができる。損失性オブジェクトまたは金属物体、塩水、油などを含み得る環境から最小距離を空けることにより、無線エネルギー移動効率が向上し得る。実施形態において、「隔離」ゾーンを用いて、共振器の摂動Ｑまたは共振器のシステムを増加させることができる。実施形態において、最小分離距離により、共振器の動作パラメータをより信頼性高くかつより一定にすることが可能となる。
【００５５】
実施形態において、共振器およびそのセンサーおよび制御回路は、他の電子および制御システムおよびサブシステムとの多様なレベルの統合を持ち得る。いくつかの実施形態において、出力および制御回路ならびにデバイス共振器は、完全に別個のモジュールまたは筺体であり、既存のシステムに最小限度で統合され、出力および制御および診断インターフェースを提供する。いくつかの実施形態において、デバイスは、共振器および回路アセンブリを筺体内の空洞中に収容するかまたは、デバイスのハウジングまたは筺体と一体化されるように、構成される。
【００５６】
例示的な共振器回路
【００５７】
図３および図４は、高レベルブロック図であり、無線エネルギー移動システムの例示的源のための出力生成、監視および制御構成要素を示す。図３は、ハーフブリッジスイッチング出力増幅器と、前記関連付けられた測定、チューニングおよび制御回路のうち一部とを含む源のブロック図である。図４は、フルブリッジスイッチング増幅器と、関連付けられた測定、チューニングおよび制御回路のうち一部とを含む源のブロック図である。
【００５８】
図３に示すハーフブリッジシステムトポロジーは、制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットを含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットは、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどであり得る。前記処理ユニットは、単一のデバイスであってもよいし、あるいはデバイスのネットワークであってもよい。前記制御アルゴリズムは、前記処理ユニットの任意の部分上において実行し得る。前記アルゴリズムは、特定の用途に合わせてカスタマイズ可能であり、アナログおよびデジタル回路および信号の組み合わせを含み得る。マスターアルゴリズムは、電圧信号およびレベル、電流信号およびレベル、信号位相、デジタルカウント設定などを測定および調節し得る。
【００５９】
前記システムは、無線通信回路３１２へと接続された任意選択の源／デバイスおよび／または源／他の共振器通信コントローラ３３２を含み得る。任意選択の源／デバイスおよび／または源／他の共振器通信コントローラ３３２は、マスター制御アルゴリズムを実行する同一処理ユニットの一部であってもよいし、マイクロコントローラ３０２の一部またはマイクロコントローラ３０２の内の回路であってもよいし、無線出力伝送モジュールの外部であってもよいし、あるいは、ワイヤ出力用途または電池出力用途において用いられかつ無線出力伝送を向上または支援するためのいくつかの新規または異なる機能を含むように適合された通信コントローラと実質的に類似するものであってもよい。
【００６０】
前記システムは、少なくとも２つのトランジスタゲートドライバ３３４に接続されたＰＷＭ発電器３０６を含み得、制御アルゴリズムによって制御され得る。２つのトランジスタゲートドライバ３３４は、直接接続してもよいし、あるいは、ゲート駆動変圧器を介して２つの出力トランジスタ３３６に接続してもよい。出力トランジスタ３３６は、インピーダンス整合ネットワーク構成要素３４２を通じてソース共振器コイル３４４を駆動する。出力トランジスタ３３６は、調節可能ＤＣ供給３０４と共に接続および出力され得、調節可能ＤＣ供給３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御され得、また、マイクロコントローラ３０２または他の集積回路の一部となるかまたはマイクロコントローラ３０２または他の集積回路の一部と一体化され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、調節可能ＤＣ供給３０４の電圧出力を制御し得る。調節可能ＤＣ供給３０４を用いて、増幅器の出力と、共振器コイル３４４へ送達される出力とを制御することができる。
【００６１】
前記システムは、信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８および３２０を含む感知および測定回路を含み得る。信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８および３２０は、信号の形成、改変、フィルタリング、処理、バッファリングを行った後、プロセッサおよび／またはコンバータ（例えば、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ３１４および３１６）へ入力する。プロセッサおよびコンバータ（例えば、ＡＤＣ３１４および３１６）は、マイクロコントローラ３０２と一体化させてもよいし、あるいは別個の回路として処理コア３３０に接続してもよい。測定された信号に基づいて、制御アルゴリズム３２８は、ＰＷＭ発電器３０６、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓ制御３２６、源インピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタ／バッファリング要素３１８および３２０、コンバータ３１４および３１６、共振器コイル３４４のうちいずれかの動作を生成、制限、開始、停止、制御、調節または変更し得、また、マイクロコントローラ３０２の一部とするかマイクロコントローラ３０２と一体化してもよいし、あるいは別個の回路としてもよい。インピーダンス整合ネットワーク３４２および共振器コイル３４４は、電気的に制御可能であるか、可変であるかまたは調節可能な構成要素を含み得る（例えば、本明細書中に記載のようなコンデンサ、スイッチ、インダクタ）。これらの構成要素の構成要素値または動作点は、源インピーダンス整合コントローラ３３８から受信された信号に従って調節され得る。共振器の動作および特性（例えば、共振器へと送達された出力、共振器から送達された出力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のＱ、および他の任意の接続システム）を調節するように、構成要素を調節することができる。共振器は、任意の種類であってもよいし、あるいは、本明細書中に記載の構造共振器であってもよい（例えば、容量性負荷ループ共振器、磁石材料またはその任意の組み合わせを含むプレーナー共振器）。
【００６２】
図４に示すフルブリッジシステムトポロジーは、マスター制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットを含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットは、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどであり得る。前記システムは、無線通信回路３１２へ接続された源／デバイスかつ／または源／他の共振器通信コントローラ３３２を含み得る。源／デバイスかつ／または源／他の共振器通信コントローラ３３２は、マスター制御アルゴリズムを実行する同一処理ユニットの一部であってもよいし、マイクロコントローラ３０２の一部またはマイクロコントローラ３０２内の回路であってもよいし、無線出力伝送モジュールの外部であってもよいし、ワイヤ出力用途または電池出力用途に用いられる通信コントローラと実質的に同様でありかつ無線出力伝送の向上または支援のための何らかの新規または異なる機能を含むように適合されたものであってもよい。
【００６３】
システムは、ＰＷＭ発電器４１０を含み得る。ＰＷＭ発電器４１０の少なくとも２つの出力は、少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４へと接続される。少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４は、マスター制御アルゴリズムにおいて生成された信号によって制御され得る。４つのトランジスタゲートドライバ３３４は、４つの出力トランジスタ３３６へと直接接続してもよいし、あるいはゲート駆動変圧器を介して接続してもよい。ゲート駆動変圧器は、インピーダンス整合ネットワーク３４２を通じてソース共振器コイル３４４を駆動し得る。出力トランジスタ３３６は、調節可能ＤＣ供給３０４へと接続され得かつ調節可能ＤＣ供給３０４と共に出力され得る。調節可能ＤＣ供給３０４は、Ｖｂｕｓコントローラ３２６によって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、マスター制御アルゴリズムによって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、調節可能ＤＣ供給３０４の電圧出力を制御し得る。前記電圧出力を用いて、増幅器の出力と、共振器コイル３４４へと送達される出力とを制御することができる。
【００６４】
システムは、感知および測定回路（例えば、信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８および３２０ならびに差動／シングルエンド変換回路４０２および４０４）を含み得る。前記感知および測定回路は、信号の形成、改変、フィルタリング、処理、バッファリングなどを行った後、プロセッサかつ／またはコンバータ（例えば、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３１４および３１６）へと入力し得る。プロセッサかつ／またはコンバータ（例えば、ＡＤＣ３１４および３１６）は、マイクロコントローラ３０２と一体化させてもよいし、あるいは、別個の回路として処理コア３３０に接続してもよい。測定された信号に基づいて、前記マスター制御アルゴリズムは、ＰＷＭ発電器４１０、前記通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓコントローラ３２６、源インピーダンス整合コントローラ３３８、前記フィルタ／バッファリング要素３１８および３２０、差動／シングルエンド変換回路４０２および４０４、コンバータ３１４および３１６、共振器コイル３４４のうちいずれかの動作を生成、制限、開始、停止、制御、調節または変更し得、また、マイクロコントローラ３０２の一部とするかマイクロコントローラ３０２と一体化してもよいし、あるいは別個の回路としてもよい。
【００６５】
インピーダンス整合ネットワーク３４２および共振器コイル３４４は、電気的に制御可能であるか、可変であるかまたは調節可能な構成要素を含み得る（例えば、本明細書中に記載のようなコンデンサ、スイッチ、インダクタ）。これらの構成要素の構成要素値または動作点は、源インピーダンス整合コントローラ３３８から受信された信号に従って調節され得る。共振器の動作および特性（例えば、共振器へと送達された出力、共振器から送達された出力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のＱ、および他の任意の接続システム）を調節するように、構成要素を調節することができる。共振器は、任意の種類であってもよいし、あるいは、本明細書中に記載の構造共振器であってもよい（例えば、容量性負荷ループ共振器、磁石材料、その任意の組み合わせを含む平面共振器）。
【００６６】
インピーダンス整合ネットワークは、固定値構成要素を含み得る（例えば、コンデンサ、インダクタ、および本明細書中に記載のような構成要素のネットワーク）。インピーダンス整合ネットワークの部分であるＡ、ＢおよびＣは、インダクタ、コンデンサ、変圧器、ならびに本明細書中に記載のようなこのような構成要素の直列および並列組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態において、インピーダンス整合ネットワークの部分であるＡ、ＢおよびＣは、空であり得る（短絡回路）。いくつかの実施形態において、部分Ｂはインダクタおよびコンデンサの直列組み合わせを含み得、部分Ｃは空である。
【００６７】
フルブリッジトポロジーにより、同一ＤＣバス電圧を等価ハーフブリッジ増幅器として用いて、より高い出力レベルにおける動作が可能となる。図３の例示的なハーフブリッジトポロジーによりシングルエンド駆動信号が可能となり、図４の例示的フルブリッジトポロジーにより、ソース共振器３０８に対する差動駆動が可能となる。インピーダンス整合トポロジーおよび構成要素ならびに共振器構造は、本明細書中に記載のように、これらの２つのシステムにおいて異なり得る。
【００６８】
図３および図４に示す例示的システムは、不具合検出回路３４０をさらに含み得る。不具合検出回路３４０を用いて、源増幅器内のマイクロコントローラのシャットダウンをトリガするか、または、増幅器の動作を変更または干渉することができる。この保護回路は、高速比較器（単数または複数）を含み得る。前記高速比較器は、増幅器反流、ＤＣ供給３０４からの増幅器バス電圧（Ｖｂｕｓ）、ソース共振器３０８かつ／または前記任意選択のチューニングボード上の電圧、またはシステム内の構成要素に損傷を与え得るかまたは望ましくない動作条件の原因となり得る他の任意の電圧または電流信号を監視する。好適な実施形態は、異なる用途に関連する、望ましくない可能性のある動作モードに応じて異なり得る。いくつかの実施形態において、保護回路を実行しなくてもよいし、あるいは回路をポピュレートしなくてもよい。いくつかの実施形態において、システムおよび構成要素保護は、マスター制御アルゴリズムおよび他のシステム監視および制御回路の一部として実行され得る。実施形態において、専用不具合回路３４０は、マスター制御アルゴリズム３２８に接続された出力（図示せず）を含み得る。マスター制御アルゴリズム３２８は、システムシャットダウン、出力低下（例えば、Ｖｂｕｓの低下）、ＰＷＭ発電器の変化、動作周波数の変化、チューニング要素の変化、または制御アルゴリズム３２８が動作点モードの調節、システム性能の向上および／または保護提供のために実行し得る他の任意の合理的行為をトリガし得る。
【００６９】
本明細書中に記載のように、無線出力転送システム中の源は、インピーダンス整合ネットワーク３４２の入力インピーダンスの測定を用い得る。インピーダンス整合ネットワーク３４２は、システム制御ループのためのエラーまたは制御信号として、ソース共振器コイル３４４を駆動する。前記システム制御ループは、マスター制御アルゴリズムの一部であり得る。例示的実施形態において、３つのパラメータの任意の組み合わせの変化を用いて、無線出力源を調整することで、環境条件の変化、結合変化、デバイス出力要求の変化、モジュール、回路、構成要素またはサブシステム性能の変化、システム中の源、デバイスまたはリピーターの数の変化、ユーザが開始した変化などを補償することができる。例示的実施形態において、増幅器デューティサイクルの変化、可変電気構成要素（例えば、可変コンデンサおよびインダクタ）ならびにＤＣバス電圧の構成要素値の変化を用いて、無線源の動作点または動作範囲の変更と、いくつかのシステム動作値の向上とを行うことができる。異なる用途に用いられる特定の制御アルゴリズムは、所望のシステム性能および挙動に応じて異なり得る。
【００７０】
本明細書中に記載されかつ図３および図４に示すようなインピーダンス測定回路は、２チャンネル同時サンプリングＡＤＣを用いて実行され得、これらのＡＤＣは、マイクロコントローラチップと一体化させてもよいし、あるいは別個の回路の一部としてもよい。ソース共振器のインピーダンス整合ネットワークかつ／またはソース共振器への入力において電圧および電流信号の同時サンプリングを行うことにより、電流および電圧信号の位相および大きさ情報を得ることができ、また、公知の信号処理技術を用いて処理を用いてこのようなサンプリングを行って、複雑なインピーダンスパラメータを得ることができる。いくつかの実施形態において、電圧信号のみの監視または電流信号のみの監視で充分である場合がある。
【００７１】
本明細書中に記載のインピーダンス測定において、いくつかの他の公知のサンプリング方法よりも比較的単純な直接的サンプリング方法を用いることができる。実施形態において、測定された電圧および電流信号に対してフィルタリング／バッファリング回路によって調整、フィルタリングおよびスケーリングを行った後、入力ＡＤＣへと入力する。実施形態において、前記フィルタ／バッファリング回路は、多様な信号レベルおよび周波数において作動するように調節可能であり、回路パラメータ（例えば、フィルタ形状および幅）の調節は、制御信号に応じて、マスター制御アルゴリズムなどによって手動、電子的、自動的に行われ得る。フィルタ／バッファリング回路の例示的実施形態を図３、図４および図５に示す。
【００７２】
図５は、フィルタ／バッファリング回路において用いることが可能な例示的回路構成要素のより詳細な図である。実施形態において、システム設計において用いられるＡＤＣの種類に応じて、シングルエンド増幅器トポロジーにより、差動フォーマットからシングルエンド信号フォーマットへの変換を行うためのハードウェアの必要性を無くすことにより、システム、サブシステム、モジュールかつ／または構成要素性能を特徴付ける際に用いられるアナログ信号測定経路の複雑度を低減することができる。他の実行様態において、差動信号フォーマットが好適であり得る。図５に示す実行様態は例示的なものであり、本明細書中に記載の機能を実行するための唯一の方法として解釈されるべきではない。すなわち、異なる入力要求を有する構成要素をアナログ信号経路において用いてもよく、よって、異なる信号経路アーキテクチャも可能であることが理解されるべきである。
【００７３】
シングルエンドおよび差動増幅器トポロジー双方において、コンデンサ３２４上の電圧を測定するかまたは何らかの種類の電流センサーを測定することにより、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合ネットワーク３４２への入力電流を得ることができる。図３中の例示的シングルエンド増幅器トポロジーの場合、インピーダンス整合ネットワーク３４２からの地帰路上において電流を感知することができる。図４に示す例示的差動出力増幅器の場合、コンデンサ３２４の端子上の差動増幅器を用いてまたは何らかの種類の電流センサーを介して、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合ネットワーク３４２への入力電流を測定することができる。図４中の差動トポロジーにおいて、源出力増幅器の負出力端子においてコンデンサ３２４を重複させることができる。
【００７４】
どちらのトポロジーにおいても、ソース共振器およびインピーダンス整合ネットワークへの入力電圧および電流を示すシングルエンド信号を得た後、前記信号をフィルタリング（５０２）して、信号波形の所望の部位を得ることができる。実施形態において、前記信号をフィルタリングすることにより、前記信号の基本構成要素を得ることができる。実施形態において、実行されるフィルタリングの種類（例えば、ローパス、バンドパス、ノッチ）および用いられるフィルタトポロジー（例えば、楕円、チェビシェフ、バターワース）は、システムの特定の要求に応じて異なり得る。いくつかの実施形態において、フィルタリングは不要である。
【００７５】
電圧および電流信号は、任意選択の増幅器５０４によって増幅され得る。任意選択の増幅器５０４の利得は、一定であってもよいしあるいは可変であってもよい。前記増幅器の利得の制御は、例えば制御信号に応じて、手動的に、電子的に、自動的に行われ得る。前記増幅器の利得は、例えば、制御アルゴリズムに応じて、フィードバックループにおいてマスター制御アルゴリズムによって調節され得る。実施形態において、増幅器に必要な性能仕様は、信号強度および所望の測定精度に応じて異なり得、また、異なる用途シナリオおよび制御アルゴリズムに応じて異なり得る。
【００７６】
測定されたアナログ信号は、ＤＣオフセット５０６を持ち得る。ＤＣオフセット５０６は、前記信号を入力電圧範囲に収めるために必要となり得る。いくつかのシステムにおいて、ＡＤＣの入力電圧範囲は、０〜３．３Ｖであり得る。いくつかのシステムにおいて、用いられる特定のＡＤＣに応じて、この段階は不要であり得る。
【００７７】
上述したように、発電機と電力負荷との間の出力伝送の効率は、発電器の出力インピーダンスが以下に密接に負荷の入力インピーダンスと整合するかによって影響を受け得る。図６Ａに示すような例示的システムにおいて、負荷６０４の入力インピーダンスが発電機または出力増幅器６０２の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、可能な最大効率で出力を負荷へと送達することができる。高くかつ／または最大の出力伝送効率を得るように発電器または負荷インピーダンスを設計することを、「インピーダンス整合」と呼ぶ場合がある。インピーダンス整合は、適切なネットワークまたは複数組の要素（例えば、コンデンサ、レジスタ、インダクタ、変圧器、スイッチ）を挿入することによインピーダンス整合ネットワーク６０６を図６Ｂに示すように発電機６０２と電力負荷６０４との間に形成することにより、行うことができる。他の実施形態において、要素位置決めにおける機械調節および変化を用いて、インピーダンス整合を達成することができる。負荷変更について上述したように、、インピーダンス整合ネットワーク６０６は、可変構成要素を含み得る。前記可変構成要素を動的に調節することにより、発電器の負荷および特性インピーダンスの方を向いている発電器端子におけるインピーダンスが、動的な環境および動作シナリオにおいても、相互に複素共役のままとなる。実施形態において、動的インピーダンス整合は、発電機の駆動信号のデューティサイクルおよび／または位相および／または周波数の調整によりまたは発電機（例えば、図６Ｃに示すようなコンデンサ）内の物理的構成要素の調整により、達成することができる。このようなチューニング機構は、有利であり得る。なぜならば、このようなチューニング機構を用いることにより、調節可能なインピーダンス整合ネットワークを用いる必要なくまたは簡単な調節可能なインピーダンス整合ネットワーク６０６（例えば、より少数の調節可能な構成要素を有するもの）を用いるだけで、発電機６０８と負荷との間のインピーダンス整合が可能になるからである。実施形態において、発電機に対するデューティサイクルおよび／または周波数および／または駆動信号の位相を調節することにより、動的インピーダンス整合システムが可能となり、より広い調節範囲または精度、より高い出力、電圧および／または電流能力、より高速の電子制御、より少数の外部構成要素などが可能となる。発電機によって高Ｑ磁石共振器が駆動されるシステムにおいてまた本明細書中に記載のような高Ｑ無線出力伝送システムにおいて、以下に記載するインピーダンス整合方、アーキテクチャ、アルゴリズム、プロトコル、回路、測定、制御などがシステムにおいて有用に用いられ得る。無線出力転送システムにおいて、発電機は、共振器（ソース共振器とも呼ばれる）を駆動する出力増幅器である。前記共振器は、出力増幅器に対する負荷であり得る。無線出力用途において、出力増幅器と共振器負荷との間のインピーダンス整合を制御することで、出力増幅器から共振器への出力送達効率を制御すると好ましい。インピーダンス整合は、共振器を駆動する出力増幅器の駆動信号のデューティサイクルおよび／または位相および／または周波数を調整または調節することにより、達成または部分的に達成され得る。
【００７８】
スイッチング増幅器の効率
【００７９】
増幅器のスイッチング要素上において消散する出力がほとんど無い場合、スイッチング増幅器（例えば、クラスＤ、Ｅ、Ｆ増幅器）などまたはこれらの任意の組み合わせは、最大効率において出力を負荷へと送達する。この動作状態は、スイッチング要素上の電圧およびスイッチング要素を通過する電流のうちいずれかまたは双方がほぼゼロとなったときに最重要のスイッチング動作（すなわち、スイッチング損失の原因に最もなりやすいもの）が行われるようシステムを設計することにより、達成され得る。これらの条件はそれぞれ、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）条件およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）条件と呼ばれ得る。増幅器がＺＶＳおよび／またはＺＣＳにおいて動作する場合、スイッチング要素上の電圧またはスイッチング要素を流れる電流はゼロであるため、前記スイッチにおける出力消散は無い。スイッチング増幅器は、特定の周波数または一定範囲の周波数においてＤＣ（または極めて低い周波数ＡＣ）出力をＡＣ出力へ変換することができるため、フィルタを負荷の前方に配置することにより、スイッチングプロセスに起因して発生し得る不要な高調波が前記負荷に到達してその内部で消散する事態を回避する。実施形態において、スイッチング増幅器は、共振負荷に接続された場合、品質係数（例えば、Ｑ＞５）および特定のインピーダンス
2013543718.tif 000006
で、最大出力変換効率で動作するように設計され得る。その結果、同時ＺＶＳおよびＺＣＳが得られる。増幅器の特性インピーダンスに対する共振負荷のインピーダンス整合と最大出力伝送効率が等価になるように、増幅器の特性インピーダンスとしてＺ0＝Ｒ0−ｊＸ0を定義する。
【００８０】
スイッチング増幅器において、スイッチング要素のスイッチング周波数ｆswitch（ｆswitchは、ω・２π）と、スイッチング要素のＯＮスイッチ状態期間のデューティサイクルｄｃとは、前記増幅器の全スイッチング要素に対して同一であり得る。本明細書中において、「クラスＤ」という用語は、クラスＤおよびクラスＤＥ増幅器双方を指す（すなわち、ｄｃ＜＝５０％のスイッチング増幅器）。
【００８１】
増幅器の特性インピーダンス値は、スイッチング要素の動作周波数、増幅器トポロジー、およびスイッチングシーケンスによって異なり得る。いくつかの実施形態において、スイッチング増幅器はハーフブリッジトポロジーであり得、いくつかの実施形態においてフルブリッジトポロジーであり得る。いくつかの実施形態において、スイッチング増幅器はクラスＤであり得、いくつかの実施形態においてクラスＥであり得る。上記実施形態のいずれかにおいて、ブリッジの要素が対称であると仮定した場合、スイッチング増幅器の特性インピーダンスは、以下の形態を有する。
2013543718.tif 000007
式中、ｄｃは、スイッチング要素のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルであり、関数ＦR（ｄｃ）およびＦx（ｄｃ）を図７において（クラスＤおよびＥ双方について）プロットし、ωは、スイッチング要素を切り換える周波数であり、Ｃa＝ｎaＣswitcにおいて、Ｃswitcは、各スイッチ上のキャパシタンスであり（例えば、トランジスタ出力キャパシタンス双方、スイッチと平行に配置された可能な外部コンデンサ）、フルブリッジにおいてｎa＝１であり、ハーフブリッジにおいてｎa＝２である。クラスＤにおいて、以下のような分析的表現も得られる。
2013543718.tif 000008
式中、ｕ＝π（１−２＊ｄｃ）であり、これは、デューティサイクルｄｃが５０％に向かって増加するのと共にクラスＤ増幅器の特性インピーダンスレベルが低下することを示す。クラスＤ増幅器がｄｃ＝５０％で動作した場合、ＺＶＳおよびＺＣＳが可能となる。スイッチング要素が実際に出力キャパシタンス（Ｃα＝０）を有しておらずかつ負荷が高精度に共振しており（Ｘ0＝０）、Ｒ０は任意であり得る。
【００８２】
インピーダンス整合ネットワーク
【００８３】
用途において、駆動負荷のインピーダンスは、当該負荷が接続された外部駆動回路の特性インピーダンスと全く異なり得る。さらに、前記駆動負荷は、共振ネットワークではない場合がある。インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）は回路ネットワークであり、このネットワークを図６Ｂのように負荷の前方に接続することで、ＩＭＮ回路および負荷からなるネットワークの入力においてみられるインピーダンスを調節する。ＩＭＮ回路は典型的には、駆動周波数に近い共鳴を生成することにより、この調節を達成し得る。このようなＩＭＮ回路は、発電器から負荷への出力伝送効率（スイッチング増幅器の場合は共鳴およびインピーダンス整合−ＺＶＳおよびＺＣＳ）を最大化するために必要な全条件を達成するため、実施形態において、ＩＭＮ回路を駆動回路と負荷との間において用いることができる。
【００８４】
図６Ｂに示す配置構成において、インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）回路および負荷（以下共にＩＭＮ＋負荷として示す）からなるネットワークの入力インピーダンスをＺt＝Ｒt（ω）＋ｊＸi（ω）とする。この場合、特性インピーダンスＺ0＝Ｒ0−ｊＸ0である外部回路に対するこのネットワークのインピーダンス整合条件は、Ｒl（ω）＝Ｒ0、Ｘl（ω）＝Ｘ0となる。
【００８５】
可変負荷の調節可能なインピーダンス整合のための方法
【００８６】
負荷が可変であり得る実施形態において、調節可能／調節可能な構成要素をＩＭＮ回路において用いることにより、負荷と外部駆動回路（例えば、線形またはスイッチング出力増幅器）との間のインピーダンス整合を達成することができる。前記ＩＭＮ回路は、外部回路（図６Ｂ）の固定特性インピーダンスＺ0に対する負荷変動に合わせて調節することが可能である。インピーダンスの実際の部分および仮想部分双方との整合のために、ＩＭＮ回路内において２つの調節可能な／可変要素が必要となり得る。
【００８７】
実施形態において、負荷は誘導（例えば、共振器コイル）であり得、インピーダンスＲ＋ｊωＬであり、よって、前記ＩＭＮ回路内のこれら２つの調節可能な要素は、２つの調節可能なキャパシタンスネットワークであるかまたは１つの調節可能なキャパシタンスネットワークおよび１つの調節可能なインダクタンスネットワークまたは調節可能なキャパシタンスネットワークおよび１つの調節可能な相互インダクタンスネットワークであり得る。
【００８８】
負荷が可変であり得る実施形態において、調節可能／調節可能な構成要素またはパラメータを増幅器回路において用いることにより、負荷と駆動回路（例えば、線形またはスイッチング出力増幅器）との間のインピーダンス整合を達成することができる。前記増幅器回路を調節させることで、増幅器の特性インピーダンスＺ0をｔｏＩＭＮ回路および負荷（ＩＭＮ＋負荷）からなるネットワークの入力インピーダンスの（負荷変動に起因する）変動に整合させることができる。ここで、ＩＭＮ回路も調節可能であり得る（図６Ｃ）。前記インピーダンスの実際の部分および仮想部分双方を整合させるために、増幅器およびＩＭＮ回路内の２つの調節可能な／可変要素またはパラメータの合計が必要となり得る。本開示のインピーダンス整合方法を用いれば、ＩＭＮ回路内において必要な調節可能な／可変要素の数を低減することができ、さらには、前記ＩＭＮ回路内の調節可能な／可変要素についての要求を完全にゼロにすることも可能である。いくつかの例において、出力増幅器内の１つの調節可能な要素およびＩＭＮ回路内の１つの調節可能な要素が用いられ得る。いくつかの例において、出力増幅器において２つの調節可能な要素が用いられ、ＩＭＮ回路において０個の調節可能な要素が用いられ得る。
【００８９】
実施形態において、出力増幅器内の調節可能な要素またはパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオードなどへ付加される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクルなどであり得る。
【００９０】
実施形態において、調節可能な特性インピーダンスを有する出力増幅器は、クラスＤ、Ｅ、Ｆの調節可能なスイッチング増幅器であるかまたはこれらの任意の組み合わせであり得る。方程式（１）および（２）を組み合わせると、このネットワークのためのインピーダンス整合条件は、以下のようになる。
2013543718.tif 000009
【００９１】
調節可能なスイッチング増幅器のいくつかの例において、１つの調節可能な要素は、キャパシタンスＣaであり得る。スイッチング要素と平行に配置された外部コンデンサを調節することにより、キャパシタンスＣαを調節することができる。
【００９２】
調節可能なスイッチング増幅器のいくつかの例において、１つの調節可能な要素は、増幅器のスイッチング要素のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルｄｃであり得る。パルス幅変調（ＰＷＭ）を介したデューティサイクルｄｃの調節は、出力制御を達成するために、スイッチング増幅器において用いられてきた。本明細書中、インピーダンス整合を達成する（すなわち、方程式（３）を満足して増幅器効率を最大化する）ように、ＰＷＭを用いることもできる点が開示される。
【００９３】
調節可能なスイッチング増幅器のいくつかの例においてにおいて、１つの調節可能な要素は、スイッチング周波数であり得る。前記スイッチング周波数は、ＩＭＮ＋負荷ネットワークの駆動周波数でもあり得、ＩＭＮ＋負荷ネットワークの共振周波数と実質的に類似するように設計され得る。スイッチング周波数を調節することにより、増幅器の特性インピーダンスおよびＩＭＮ＋負荷ネットワークのインピーダンスを変化させることができる。増幅器のスイッチング周波数を１つ以上の調節可能なパラメータと共に適切に調節して、方程式（３）を満たすことができる。
【００９４】
動的インピーダンス整合のために増幅器のデューティサイクルおよび／または駆動周波数を調節することによって得られる恩恵として、これらのパラメータの調節を電子的に高速にかつ広範囲に行うことが可能な点がある。これとは対照的に、例えば、高電圧を保持することができかつ充分に高い調節可能範囲および品質係数を有する調節可能なコンデンサは、必要な調節可能なコンデンサにとって高価、低速または利用不可能である場合がある。
【００９５】
可変負荷の調節可能なインピーダンス整合のための例示的方法
【００９６】
クラスＤ出力増幅器８０２、インピーダンス整合ネットワーク８０４および誘導負荷８０６の回路レベル構造の簡単な回路図を図８に示す。この図は、システムの基本的構成要素を示し、スイッチング増幅器８０４は、出力源８１０と、スイッチング要素８０８と、コンデンサとを含む。インダクタおよびコンデンサを含むインピーダンス整合ネットワーク８０４と、負荷８０６とが、インダクタおよびレジスタとしてモデルされる。
【００９７】
本発明のチューニングスキームの例示的実施形態は、ハーフブリッジクラスＤ増幅器を含む。ハーフブリッジクラスＤ増幅器は、スイッチング周波数ｆにおいて動作し、図８に示すようにＩＭＮを介して低損失誘導要素Ｒ＋ｊωＬを駆動する。
【００９８】
いくつかの実施形態において、Ｌ’は、調節可能であり得る。インダクタ上の可変タッピングポイントによってまたは調節可能なコンデンサをインダクタと直列接続または並列接続することにより、Ｌ’を調節することができる。いくつかの実施形態において、Ｃaは調節可能なであり得る。ハーフブリッジトポロジーにおいて、いずれか１つまたは双方のコンデンサＣswitcを変更することにより、Ｃaを調節することができる。なぜならば、これらのコンデンサの並列和のみが増幅器動作において重要であるからである。フルブリッジトポロジーにおいて、いずれかの１つ、２つ、３つまたは全てのコンデンサＣswitcを変更することにより、Ｃaを調節することができる。なぜならば、その組み合わせ（ブリッジの１／２と関連付けられた２つの並列和の直列和）が増幅器動作において重要だからである。
【００９９】
調節可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態において、ＩＭＮのうち構成要素のうち２つは、調節可能であり得る。いくつかの実施形態において、Ｌ’およびＣ2を調節することができる。次に、図９は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃa＝６４０ｐおよびＣ1＝１０ｎＦにおける誘導要素のＲおよびＬの変動、（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能な構成要素の値を示す。ＩＭＮは増幅器の固定特性インピーダンスに対して常に調節されるため、誘導要素の変動に対し、出力は常に一定である。
【０１００】
調節可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態において、スイッチング増幅器中の要素も調節可能であり得る。いくつかの実施形態において、キャパシタンスＣaおよびＩＭＮコンデンサＣ2を調節することができる。次に、図１０は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ1＝１０ｎＦおよびωＬ’＝１０００Ωにおける誘導要素のＲおよびＬの変動および（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能な構成要素の値を示す。図１０から分かるように、Ｌの変動に応答してＣ2を主に調節する必要があり、また、Ｒの増加と共に出力が低下する。
【０１０１】
調節可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態において、デューティサイクルｄｃをＩＭＮコンデンサＣ2と共に調節することができる。次に、図１１は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃa＝６４０ｐＦ、Ｃ1＝１０ｎｆおよびωＬ’＝１０００Ωにおける誘導要素のＲおよびＬの変動および（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能な構成要素の値を示す。図１１から分かるように、Ｌの変化に応じてＣ2を主に調節する必要があり、また、Ｒの増加と共に出力が低下する。
【０１０２】
調節可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態において、キャパシタンスＣaをＩＭＮインダクタＬ’と共に調節することができる。次に、図１１Ａは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ1＝１０ｎＦおよびＣ2＝７．５ｎＦにおける誘導要素のＲの変動、（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能な構成要素の値を示す。図１１Ａから分かるように、Ｒの増加と共に出力が低下する。
【０１０３】
調節可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態において、デューティサイクルｄｃをＩＭＮインダクタＬ’と共に調節することができる。次に、図１１Ｂは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃa＝６４０ｐＦ、Ｃ1＝１０ｎＦおよびＣ2＝７．５ｎＦにおける誘導要素のＲの変動、（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能な構成要素の値を示す。図１１Ｂから分かるように、Ｒの増加と共に、出力が低下する。
【０１０４】
調節可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態において、スイッチング増幅器中の要素のみを調節可することができ、ＩＭＮ中には調節可能な要素は無い。いくつかの実施形態において、デューティサイクルｄｃをキャパシタンスＣaと共に調節することができる。次に、図１１Ｃは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ1＝１０ｎＦ、Ｃ2＝７．５ｎｆおよびωＬ’＝１０００Ωにおける誘導要素のＲの変動および（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能な構成要素の値を示す。図１１Ｃから分かるように、出力は、Ｒの非単調関数である。これらの実施形態により、Ｌ（およびよって共振周波数）の変動が穏やかである場合において、動的インピーダンス整合を達成することができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態において、上述したようにＬが大幅に変動する場合も、共振器の共振周波数の変動に追随するように外部周波数ｆ駆動の周波数（例えば、スイッチング増幅器のスイッチング周波数）を変更することにより、ＩＭＮ内の固定要素を用いた動的インピーダンス整合を達成することができる。スイッチング周波数ｆおよびスイッチデューティサイクルを２つの可変パラメータとして用いて、フルインピーダンス整合を達成することができる。なぜならば、可変構成要素を全く必要とすることなく、ＲおよびＬが変化するからである。次に、図１２は、Ｃa＝６４０ｐ、Ｃ1＝１０ｎＦ、Ｃ2＝７．５ｎＦおよびＬ’＝６３７μＨにおけるにおける誘導要素のＲおよびＬの変動、（所与のＤＣバス電圧における）増幅器の出力の関連付けられた変動の関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調節可能なパラメータの値を示す。図１２から分かるように、上述したようにＬの変動に応じて周波数ｆを主に調節する必要がある。
【０１０６】
無線出力伝送のシステムのための調節可能なインピーダンス整合
【０１０７】
無線出力転送用途において、低損失誘導要素は、例えば１つ以上のデバイス共振器または他の共振器（例えば、リピーター共振器）に接続されたソース共振器のコイルであり得る。誘導要素Ｒ＋ｊωＬのインピーダンスは、ソース共振器のコイル上のその他の共振器の反射インピーダンスを含み得る。誘導要素のＲおよびＬの変動は、ソース共振器かつ／またはその他の共振器の近隣における外部摂動または構成要素の熱ドリフトに起因して発生し得る。誘導要素のＲおよびＬの変動は、デバイスおよび他の共振器が源に相対して移動するのに起因して、無線出力伝送システムの通常使用時においても発生し得る。これらのデバイスおよび他の共振器が源に相対して移動した場合または、他の源のが相対的に移動または配置された場合、源に対するデバイスの結合の変動（およびよって反射インピーダンスの変動）に繋がり得る。さらに、誘導要素のＲおよびＬの変動は、その他の接続共振器内の変化（例えば、負荷の出力引き出しの変化）に起因して、無線出力伝送システムの通常使用時においても発生し得る。上記において開示した方法および実施形態は全て、誘導要素と、前記誘導要素を駆動する外部回路駆動との間の動的インピーダンス整合を達成するための場合にも適用される。
【０１０８】
無線出力伝送システムのための本開示の動的インピーダンス整合方法を実証するために、低損失源コイルを含むソース共振器について検討する。前記低損失源コイルは、抵抗負荷を駆動するデバイス共振器のデバイスコイルに誘導接続される。
【０１０９】
いくつかの実施形態において、動的インピーダンス整合を源回路において達成することができる。いくつかの実施形態において、動的インピーダンス整合をデバイス回路においても達成することができる。（源およびデバイス双方において）フルインピーダンス整合が得られた場合、源誘導要素の有効抵抗（すなわち、源コイルＲsの抵抗にデバイスからの反射インピーダンスを加算したもの）は
2013543718.tif 000010
である。（同様に、デバイス誘導要素の有効抵抗は
2013543718.tif 000011
であり、Ｒdは、デバイスコイルの抵抗である。）移動に起因するコイル間の相互インダクタンスの動的変動に起因して、
2013543718.tif 000012
の動的変動が発生する。従って、源およびデバイス双方が動的に調節された場合、相互インダクタンスの変動は、源回路側から源誘導要素抵抗Ｒの変動としてみられる。この種の変動において、共振器の共振周波数は実質的に変化しない点に留意されたい。なぜならば、Ｌは変化しないからである。よって、動的インピーダンス整合について示した方法および例は全て、無線出力伝送システムの源回路のために用いることができる。
【０１１０】
抵抗Ｒは、源コイルおよび図９〜図１２中の源コイルに対するデバイスコイルの反射インピーダンス双方を示す点に留意されたい。なぜならば、Ｕの増加と共にＲが増加し、関連付けられた無線出力伝送効率が増加するからである。いくつかの実施形態において、デバイス回路によって駆動される負荷において、ほぼ一定の出力が必要となり得る。デバイスへと伝送される一定レベルの出力を達成するために、Ｕの増加と共に源回路の必要な出力を低下させる必要があり得る。増幅器パラメータのうちいくつかの調節を介して動的インピーダンス整合が達成された場合、増幅器の出力も相応に変化し得る。いくつかの実施形態において、Ｒの単調低下と共に出力の自動変化が好適であり、これにより、一定のデバイス出力要求と整合する。発電機のＤＣ駆動電圧を調節することにより出力レベルが達成される実施形態において、調節可能なパラメータのインピーダンス整合組を用いることで、出力ｖｓの単調低下が得られる。Ｒは、ＤＣ駆動電圧の中程度の調節のみにより、デバイス内の電力負荷において一定出力を保持できることを示す。実施形態において、出力レベルを調節するための「ノブ」は、出力ｖｓの単調な低下が得られるインピーダンス整合組の調節可能なパラメータを用いて、インピーダンス整合ネットワーク内部のスイッチング増幅器または構成要素のデューティサイクルｄｃまたは位相である。Ｒは、この出力「ノブ」の中程度の調節のみにより、デバイス内の電力負荷において一定の出力を保持することができることを示す。
【０１１１】
図９〜図１２の例において、Ｒs＝０．１９Ωである場合、Ｒ＝０．２２Ωは、Ｕsd＝０．３−１０．５に対応する。これらの値について、図１４において、破線は、源およびデバイス双方が動的にインピーダンス整合された場合の負荷において一定出力レベルを保持するために必要な出力（ＤＣ電圧の二乗に標準化された）を示す。実線と破線との間の同様の傾向により、出力のこのような変動を有する１組の調節可能なパラメータが好適であり得ることを説明する。
【０１１２】
いくつかの実施形態において、動的インピーダンス整合は源回路において達成され得るが、インピーダンス整合を達成され得ないかまたはデバイス回路において部分的にのみ達成され得る。源とデバイスコイルとの間の相互インダクタンスが変動すると、源に対するデバイスの反射インピーダンスが変動した場合、前記源誘導要素の有効抵抗Ｒおよび有効インダクタンスＬ双方が変動し得る。動的インピーダンス整合について提示された方法が適用可能であり、無線出力伝送システムの調節可能な源回路のために用いることができる。
【０１１３】
一例として、図１４の回路について考える。ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃa＝６４０ｐＦ、Ｒs＝０．１９Ω、Ｌs＝１００μＨ、Ｃ1s＝１０ｎＦ、ωＬ’＝１０００Ω、Ｒd＝０．３Ω、Ｌd＝４０μＨ、Ｃ1d＝８７．５ｎＦ、Ｃ2d＝１３ｎＦ、ωＬ’ｄ＝４００ΩおよびＺ1＝５０Ωであり、ｓおよびｄは、源およびデバイス共振器をそれぞれ示し、Ｕsd＝３においてシステムを整合させる。スイッチング増幅器およびコンデンサＣ2sのデューティサイクルｄｃを調節することにより、源の動的にインピーダンスを行うことができる。なぜならば、調節不可能なデバイスが源に向かって移動して、前記源と前記デバイスとの間の相互インダクタンスＭが変化するからである。図１４において、調節可能なパラメータの必要な値と、増幅器のＤＣ電圧毎の出力とを示す。ここでも、破線は、負荷における出力を一定値にするために必要な増幅器の出力を示す。
【０１１４】
いくつかの実施形態において、源駆動回路の駆動周波数ｆを同様に調節して、源と１つ以上のデバイスとの間の無線出力伝送のシステムのために、前記源において動的インピーダンス整合を達成することができる。上述したように、この方法により、源インダクタンスＬsおよびよって源共振周波数が変動した場合でも、源のフル動的インピーダンス整合が可能となる。整合した駆動および源共振周波数の変動に追随するように、源からデバイスへの出力伝送を効率的にするためにデバイス共振周波数を調節する必要がある。源またはデバイス共振器のうちいずれかの共振周波数が変動した場合、デバイスキャパシタンス（例えば、Ｃ1dまたはＣ2dの図１３の実施形態におけるもの）の調節が必要となり得る。実際、複数の源およびデバイスを含む無線出力転送システムにおいて、駆動周波数を調節することにより、１つの源オブジェクト共振周波数のみを調節する必要性が軽減するが、しかし、前記オブジェクトのうち残り全ては、共振周波数を調節して駆動周波数を整合させるための機構（例えば、調節可能なキャパシタンス）を必要とし得る。
【０１１５】
共振器熱管理
【０１１６】
無線エネルギー移動システムにおいて、無線転送プロセス時におけるエネルギー損失のうち一部が熱として消散する。共振器構成要素そのものにおいて、エネルギーが消散し得る。例えば、高Ｑ伝導体および構成要素であっても、いくつかの損失または抵抗を有し、電気電流および／または電磁界がこれらの伝導体および構成要素内を流れると、これらの伝導体および構成要素が加熱され得る。共振器の周囲の材料およびオブジェクト中において、エネルギーが消散し得る。例えば、共振器の周囲または近隣にある不完全な伝導体または誘電体中において渦電流が消散すると、これらのオブジェクトが加熱され得る。この場合、これらのオブジェクトの材料特性への影響されるだけでなく、導電性プロセス、放射プロセスまたは対流プロセスを通じて共振器構成要素へとこの熱が移動し得る。これらの加熱効果のうちいずれかにより、共振器Ｑ、インピーダンス、周波数などに影響が発生し得、その結果、無線エネルギー移動システムの性能に影響が発生し得る。
【０１１７】
ヒステリシス損失と、渦電流発生に起因する抵抗損失とに起因して、磁石材料のブロックまたはコアを含む共振器において磁石材料中に熱が発生し得る。双方の効果は、材料中の磁束密度に依存し、特に流束密度または渦電流が集中または局所化し得る領域において、双方に起因して大量の熱が発生し得る。流束密度に加えて、振動磁場の周波数、磁石材料の組成および損失、ならびに前記磁石材料の雰囲気温度または動作温度全てに起因して、ヒステリシスおよび抵抗損失によって前記材料が加熱される様態に影響が発生し得る。
【０１１８】
実施形態において、磁石材料の特性（例えば、材料の種類、ブロックの寸法）、および磁界パラメータを特定の動作出力レベルおよび環境に合わせて選択して、磁石材料の加熱を最小化することができる。いくつかの実施形態において、磁石材料ブロック中に変化、亀裂または欠陥がある場合、無線出力伝送用途における磁石材料の損失および加熱が増加し得る。
【０１１９】
欠陥を含む磁石ブロックまたはより大型のユニットとして配置されたより小型のサイズタイルまたは磁石材料片を含む磁石ブロックの場合、前記ブロック中の損失が不均等になり得、隣接タイルまたは磁石材料片の間に不均等性または比較的狭い隙間がある領域において集中し得る。例えば、磁石材料ブロック中に不規則な隙間がある場合、前記材料中の多様な磁束経路の有効磁気抵抗は、実質的に不規則であり得、磁石磁気抵抗が最低になるブロック部分において磁界がより集中し得る。いくつかの場合において、欠陥密度が最低になる場所においてタイルまたは片間の隙間が最も狭くなると、有効磁気抵抗が最低になり得る。磁石材料は磁界を誘導するため、磁束密度がブロック上において実質的に均等にならない場合があるが、比較的より低い磁気抵抗の領域において集中し得る。磁石材料ブロック内における磁界の不規則集中は、望ましくない場合がある。なぜならば、このような不規則集中に起因して、材料中に不規則損失および熱放散が発生するからである。
【０１２０】
例えば、伝導体１５０６を含む磁石共振器について検討する。伝導体１５０６は、磁石材料ブロックの周囲に被覆される。前記磁石材料ブロックは、磁石材料の２つの個々のタイル１５０２および１５０４によって構成される。２つの個々のタイル１５０２および１５０４は、シーム１５０８を形成するように接続される。シーム１５０８は、図１に示すような伝導体１５０６のループの軸に垂直である。磁石材料タイル１５０２と１５０４との間のシーム１５０８内の不規則隙間に起因して、共振器内の（破線の磁界線によって模式的に示す）磁界１５１２が前記磁石材料の断面のサブ領域１５１０内に強制的に集中する。磁界は最小磁気抵抗の経路に追随するため、２つの磁石材料片の間の空隙を含む経路に起因して、磁石材料片が接触するかまたはより小型の空隙を有する地点において磁石材料の幅を横断するものよりも有効により高い磁気抵抗経路が得られる。従って、磁束密度が比較的小さな断面の磁石材料を優先的に通じて流れるとよく、その結果、高濃度磁束が小型領域１５１０内に発生する。
【０１２１】
多くの対象磁石材料において、流束密度分配がより不均質である場合、全体的損失がより高くなる。さらに、このようなより不均質な流速分配に起因して、材料飽和が発生し得、磁束が集中する領域が局所的に加熱され得る。このような局所的加熱に起因して、磁石材料の特性が変化し得、場合によっては損失が悪化する。例えば、いくつかの材料の関連動作体制において、ヒステリシスおよび抵抗損失が温度と共に増加する。前記材料が加熱されると、材料損失が増加し、その結果加熱が増加し、修正措置がとられない場合、前記材料の温度が連続的に増加し得、さらには暴走し得る。いくつかの場合において、温度は１００Ｃ以上になり得、磁石材料の特性および無線出力転送の性能の劣化の原因になり得る。いくつかの場合において、前記磁石材料が劣化し得るか、または、周囲の電子構成要素、パッケージングおよび／または筺体が過熱に起因して劣化し得る。
【０１２２】
実施形態において、タイルまたは磁石材料ブロック片の縁部の機械加工、研磨、研削などを行って磁石材料タイル間をしっかりと係合させることにより、タイルまたは磁石材料ブロック片間の変動または不規則性を最小化させることができ、これにより、前記磁石材料ブロックの断面全体中の磁気抵抗を実質的により均等にすることができる。実施形態において、磁石材料ブロックは、タイル間の圧縮力を提供することにより前記タイルを相互に隙間無く押圧する手段が必要となり得る。実施形態において、接着剤を用いて前記タイル間を確実に密着させることができる。
【０１２３】
実施形態において、隣接する磁石材料タイル間に意図的に隙間を付加することにより、隣接する磁石材料タイルの不規則間隔を低減することができる。実施形態において、意図的な隙間をスペーサとして用いることで、磁石材料タイルまたは片間の規則的な間隔を確実に得ることができる。可撓性材料の意図的な隙間により、タイル移動または振動に起因する前記間隔の不規則性も低減することができる。実施形態において、電気絶縁体によって隣接する磁石材料タイルの縁部のテーパー付け、ディッピング、コーティングなどを行うことで、ブロックの断面積の低減を通じて渦電流の発生を回避することができ、これにより、材料中の渦電流損失を低減することができる。実施形態において、セパレータを共振器パッケージングと一体化させることができる。前記スペーサにより、１ｍｍ以下の間隔が得られる。
【０１２４】
実施形態において、機械的効果に対する構造全体の公差（例えば、固有の効果に起因するタイルの寸法および／または形状の変化）（例えば、磁気歪み、熱膨張）ならびに外部衝撃および振動）を向上させるように、タイル間のスペーサの機械的特性を選択することができる。例えば、前記スペーサは、個々のタイルの膨張かつ／または収縮に対応できるための所望の量の機械を持ち得、タイルが機械振動を受けた場合、タイル上への応力を低減し得る。これにより、磁石材料中の外観亀裂および他の欠陥の低減を支援する。
【０１２５】
実施形態において、共振器の双極子モーメントに対して垂直なタイル間のシームまたは隙間の数を最小限にするように、磁石材料ブロックを含む個々のタイルを配置することが好適であり得る。実施形態において、共振器を含む伝導体のループによって形成された軸に対して垂直なタイル間の隙間を最小限にするように、磁石材料タイルを配置および方向付けると好適であり得る。
【０１２６】
例えば、図１６に示す共振器構造を検討する。前記共振器は、伝導体１６０４を含む。伝導体１６０４は、磁石材料ブロックの周囲を被覆する。前記磁石材料ブロックは、６個の別個の個々のタイル１６０２を含む。これらのタイル１６０２は、３×２アレイとして配置される。このようなタイルの配置構成により、磁石材料ブロックを一方向に横断した場合、２つのタイルシーム１６０６および１６０８が得られ、磁石材料ブロックを直交方向に横断した場合、１つのタイルシーム１６１０が得られる。実施形態において、共振器の双極子モーメントが最小数のタイルシームに対して垂直になるように、磁石材料ブロック周囲を導体ワイヤ１６０４で被覆すると好適であり得る。本発明者らによれば、共振器の双極子モーメントに対して平行なシームおよび隙間１６０６および１６０８の周囲において、比較的より少量の熱が発生することが分かった。共振器の双極子モーメントに対して垂直なシームおよび隙間は、重要シームまたは重要シーム領域とも呼ばれる。しかし、共振器の双極子モーメントに対して垂直な隙間（例えば、１６０６および１６０８）を電気的に絶縁して、渦電流損失を低減することも望ましい。タイル間の不規則接触をこのような平行な隙間によって分離した場合、狭い接触点を通じて渦電流が発生し得、その結果、このような点において高損失が発生し得る。
【０１２７】
実施形態において、重要シーム領域の適切な冷却により、間隔の不規則性を許容することができ、これにより、磁石材料が加熱された場合、材料特性の局所的劣化が回避される。磁石材料の温度を臨界温度よりも低い保持することにより、充分な高温に起因する暴走を回避することができる。重要シーム領域を適切に冷却することにより、タイル間の不規則間隔、亀裂または隙間に起因してさらに損失または加熱が発生した場合でも、無線エネルギー移動性能を充分にすることができる。
【０１２８】
磁石材料の過剰な局所的加熱を回避するために共振器構造の有効なヒートシンク設置を行った場合、いくつかの問題が発生する。すなわち、ヒートシンクおよび熱伝導に典型的に用いられる金属材料は、共振器によって無線エネルギー移動のために用いられる磁界と相互作用し得、システム性能に影響を与え得る。金属材料の位置、サイズ、方向付けおよび用途は、これらのヒートシンク設置材料の存在下において共振器の摂動Ｑが過度に低くならないように設計すべきである。加えて、磁石材料（例えば、フェライト）は熱伝導度が比較的低いため、磁石共振器の近隣に実質的量の損失性材料の配置を必要とする適切な冷却を得るために、ヒートシンクと磁石材料との間のにおいて比較的大きな接触領域が必要となり得る。
【０１２９】
実施形態において、熱伝導性材料を戦略的に配置することで、記無線エネルギー移動性能上への影響を最小にしつつ、共振器の適切な冷却を達成することができる。実施形態において、熱伝導性材料の細長片を導体ワイヤループ間に配置し、磁石材料ブロックと熱接触させることができる。
【０１３０】
熱伝導性材料の細長片を含む共振器の１つの例示的実施形態を図１７中に示す。図１７Ａに示す共振器構造は、導電性細長片を含まず、磁石材料ブロックを含む。前記磁石材料ブロックは、隙間またはシームを形成するより小型の磁石材料タイルを含む。熱伝導性１７０８材料の細長片を伝導体１７０２のループ間に配置し、図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すように磁石材料１７０４のブロックと熱接触させることができる。前記共振器のパラメータ上への前記細長片による影響を最小限にするために、いくつかの実施形態において、伝導体ループに対して平行にまたは共振器の双極子モーメントに対して垂直に細長片を配置すると好ましい場合がある。これらの伝導体細長片は、タイル間のシームまたは隙間をできるだけ多く被覆するように配置することができる（特に、タイル間のシームが共振器双極子モーメントに対して垂直な場合）。
【０１３１】
実施形態において、熱伝導性材料は、銅、アルミニウム、真ちゅう、熱エポキシ、ペースト、パッドなどを含み得、熱伝導度が少なくともいくつかの市販のフェライト材料の場合において共振器中の磁石材料の熱伝導度（〜５Ｗ／（Ｋ−ｍ）である任意の材料であり得る。実施形態において、熱伝導性材料も導電性であり、前記材料は、共振器の伝導体の磁石材料またはループとの短絡および直接的電気接触を回避するために、電気絶縁体の層またはコーティングを必要とし得る。
【０１３２】
実施形態において、熱伝導性材料の細長片を用いて、共振器構造からの熱を構造または媒体へと伝導させることができる。前記構造または媒体は、熱エネルギーを安全に消散させることが可能である。実施形態において、これらの熱伝導性細長片は、ヒートシンクへと接続され得る（例えば、受動または強制対流、放射、あるいは環境への伝導を用いて熱エネルギーを消散させることが可能な伝導体の細長片の上方に配置された大きなプレート）。実施形態において、前記システムは、任意の数の能動的冷却システムを含み得る。前記能動的冷却システムは、熱伝導性細長片からの熱エネルギーを消散させることが可能な共振器構造の外部または内部に設けられ得、液体冷却システム、強制空気システムなどを含み得る。例えば、前記熱伝導性細長片は、中空であるかまたは冷却剤用経路を含み得る。前記冷却剤は、磁石材料の冷却のために、ポンプ輸送または強制輸送され得る。実施形態において、ヒートシンク装置の一部として、導電体（例えば、銅、銀、アルミニウム）製のフィールドデフレクタが２倍用いられ得る。熱伝導性でありかつ導電性である細長片を磁石材料とフィールドデフレクタとの間の空間に付加することにより、摂動Ｑへの限界効果が得られる。なぜならば、前記空間内の電磁界は典型的には、前記フィールドデフレクタの存在によって抑制されるからである。このような導電性細長片を前記磁石材料および前記フィールドデフレクタ双方と熱的に接続させることにより、異なる細長片間の温度分配をより均質にすることができる。
【０１３３】
実施形態において、少なくとも１つの伝導体ループが前記磁石材料を包囲するように、これらの熱伝導性細長片を間隔を空けて配置する。実施形態において、熱伝導性材料の細長片を、磁石材料の隙間またはシームのみに配置する。他の実施形態において、前記細長片を前記磁石材料と接触するように、前記磁石材料の長さ全体に実質的にわたって配置する。他の実施形態において、前記磁石材料内の流束密度と整合するように、前記細長片を分布させる。前記共振器の通常動作下にある前記磁石材料の領域は、より高い磁束密度を持ち得、前記熱伝導性細長片とのより高い接触密度を持ち得る。図１７Ａに示す実施形態において、例えば、磁石材料ブロック中央に向かって、磁石材料中の最高磁束密度が観察され得、前記共振器の双極子モーメントの方向において、前記ブロック端部に向かって密度がより低くなる。
【０１３４】
熱伝導性細長片を用いて磁石材料中の全体的温度および可能なホットスポットの温度の低減を支援する様態を示すために、本発明者らは、図１７Ｃに示すものと同様の共振器構造の有限要素シミュレーションを行った。前記構造を周波数２３５ｋＨｚにおいて動作させてシミュレートした。前記構造は、ＥＰＣＯＳＮ９５磁石材料のブロックを含む。このブロックのサイズは３０ｃｍ×３０ｃｍ×５ｍｍであり、（前記構造の対称面から２５ｍｍ、４０ｍｍ、５５ｍｍ、９０ｍｍおよび１０５ｍｍにおいて対称に配置された）１０巻のリッツ線によって励起される。前記リッツ線はそれぞれ、４０Ａのピーク電流を搬送し、アルミニウム（合金６０６３）の３つの３×３／４×１’の中空四角管（１／８''壁厚さ）により、５０ｃｍ×５０ｃｍ×４ｍｍのフィールドデフレクタへと熱的に接続される。前記中空四角管の中央軸は、前記構造の対称面から−７５ｍｍ、０ｍｍ、および＋７５において配置される。フィールドデフレクタおよび中空管に起因する摂動Ｑは、（中空管を含まない同一構造の場合の１７１０と比較して）１４００であることが分かった。シールドおよび管中において消散した出力は３５．６Ｗであると計算され、磁石材料中において消散した出力は５８．３Ｗであると計算された。前記構造が空気対流および放射および雰囲気温度２４℃で冷却されると想定した場合、（中空管間のほぼ中間の磁石材料内の点において）前記構造内の最大温度は８５℃であった。一方、前記中空管と接触する磁石材料の部分の温度は、およそ６８℃であった。対照的に、熱伝導性中空管を含まない同一共振器は、同一励起電流４０Ｗピークにおいて磁石材料中の６２．０Ｗを消散し、前記磁石材料中の最大温度は１１１℃であることが分かった。
【０１３５】
管と良好に熱接触する磁石材料の一部内に欠陥を導入した場合、導電性細長片の利点がより明らかとなる。長さが１０ｃｍでありかつ磁石材料の中央の０．５ｍｍに配置されかつ双極子モーメントに垂直に方向付けられた空隙により、磁石材料中において消散する出力が６９．９Ｗへと増加する（上記した非欠陥例に相対してさらに１１．６Ｗが前記空間中に集中する）が、前記導電性管により、前記磁石材料中の最大温度は、比較的穏やかに１１℃〜９６℃へと増加するだけである。これとは対照的に、前記導電性管を含まない同一欠陥がある場合、前記欠陥の近隣において最大温度は１６１℃となる。対流および放射以外の冷却法（例えば、導電性管ボディを大型熱質量に熱接続するかまたは能動的冷却する方法）を行った場合、この共振器の動作温度を同一電流レベルにおいてさらに低減させることができる。
【０１３６】
実施形態において、磁石材料中の不規則隙間の原因となり得る亀裂が発生する可能性が高い領域内に材料の熱伝導性細長片を配置することができる。このような領域は、前記材料上に高応力または歪みがある領域であるか、または、前記共振器のパッケージングからの支持または裏打ちが弱い領域である。熱伝導性細長片を戦略的に配置することにより、亀裂または不規則隙間が磁石材料中に発生した場合において、前記磁石材料の温度を確実に臨界温度よりも低く保持することが可能となる。前記臨界温度は、前記磁石材料のキュリー温度または前記共振器の特性が前記所望の性能パラメータを超えて劣化する任意の温度として定義され得る。
【０１３７】
実施形態において、ヒートシンキング構造により、磁石材料の機械的支持が可能となる。実施形態において、（例えば、前記構造の異なる要素を熱接続するための適切な機械特性を有するエポキシ、熱パッドなどの利用）により、前記ヒートシンキング構造を所望の量の機械的弾力性を有するように設計することができ、これにより、（熱膨張、磁気歪みなどに起因する）要素の固有寸法変化ならびに外部衝撃および振動に対するより高い公差を前記共振器に付与することができ、亀裂および他の欠陥の形成も回避される。
【０１３８】
実施形態において、前記共振器は、磁石材料の周囲を被覆する直交巻線を含む。導電性材料の細長片を個別調整することで、２つの直交する隣接するループによって境界付けられた領域内において前記磁石材料との熱接触が可能になる。実施形態において、細長片は、適切な圧痕を含み得る。前記圧痕は、磁石材料の少なくとも１つの点と熱接触しつつ、少なくとも１つの直交巻線の伝導体の周囲にぴったりと配置される。実施形態において、前記磁石材料は、隣接するループ間に配置される複数の熱伝導性ブロックと熱接触し得る。これらの熱伝導性ブロックは、良好な熱伝導体によって相互に熱接続されかつ／またはヒートシンクされ得る。
【０１３９】
本明細書中全体において、熱伝導性材料細長片という用語を材料形状の例として用いたが、当業者であれば、本発明の意図から逸脱することなく任意の形状および外形を代替することが可能であることを理解する。四角、楕円形、細長片、ドット、細長形状なども本発明の意図内である。
【０１４０】
無線エネルギー移動システムにおける通信
【０１４１】
無線エネルギー移動システムは、指定共振器間においてエネルギー転送が確実に行われたかを確認するための確認工程を必要とし得る。例えば、無線エネルギー移動システムにおいて、ソース共振器、デバイス共振器、およびリピーター共振器をエネルギ交換のために相互に物理的接触させる必要は無く、前記システム無いの共振器のサイズおよび数に応じて、これらの共振器をセンチメートルまたはメートル単位の距離だけ離隔して配置することができる。いくつかの構成において、複数の共振器が出力を生成または受信するように配置され得るが、これらの共振器のうち２つまたはいくつかのみが指定共振器である。
【０１４２】
無線エネルギー移動システム内の共振器間の情報通信を用いて、共振器を指定することができる。共振器間の情報通信は、帯域内通信または帯域外通信または通信チャンネルを用いて、実行され得る。出力交換に用いられる磁石共振器のうち少なくとも一部が情報交換にも用いられる場合において、前記情報交換のキャリア周波数が前記出力交換において用いられる共振周波数に近い場合、当該通信を帯域内と呼ぶ。磁石共振器間の他の任意の種類の通信を帯域外と呼ぶ。帯域外通信チャンネルは、エネルギー移動共振器および磁界から分離されたアンテナおよび信号送信プロトコルを用い得る。帯域外通信チャンネルは、ブルートゥース、ＷｉＦｉ、ジグビー、ＮＦＣ技術などを用い得るか、または、そのような技術に基づき得る。
【０１４３】
共振器間の通信を用いて、前記無線エネルギー移動の調整または無線エネルギー移動システムのパラメータの調節、利用可能な出力源およびデバイスの特定および認証、効率最適化、出力送達などを行うことができ、また、エネルギー優先順位、利用状況などの追跡および課金、システム性能、電池状態、車両状態、外部オブジェクト（外部オブジェクトとも呼ぶ）の監視も例えば行うことができる。帯域内および帯域外通信チャンネルが用いられる場合、エネルギー移動のための共振器の指定および確認のための方法は異なり得る。なぜならば、帯域外技術を用いて通信信号の交換を行うために必要な距離が、出力信号の交換を行うために必要な距離を大幅に上回り得るからである。また、帯域外通信信号の帯域幅は、帯域内通信信号よりも大きい場合がある。このような通信範囲および能力の差に起因して、無線エネルギー移動システムの調整に影響が出る場合がある。例えば、帯域外通信を用いて取り扱うことが可能な共振器数が膨大になり得、また、ｙエネルギー交換を効率的に行うことが可能な距離よりもさらに離れた距離で共振器通信が行われる可能性がある。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、信号送信および通信全てを帯域内通信チャンネルを用いて行うことができ、エネルギー移動に用いられるフィールド上において信号変調を行うことができる。他の実施形態において、帯域内通信は、エネルギー移動に用いられる周波数スペクトルと実質的に同じ周波数スペクトルを用い得るが、有用な量のエネルギーが送信されていない間、通信が発生し得る。別個のまたは複数の確認工程を用いると問題となる場合、帯域内通信チャンネルのみを用いると好適であり得る。なぜならば、通信範囲が出力交換と同じ通信範囲に限定されるかまたは情報が出力信号そのものの上の変調として到着し得るからである。しかし、いくつかの実施形態において、別個の帯域外通信チャンネルがより望ましい場合もある。例えば、より高いデータ速度を実行および支持するには、帯域外通信チャンネルがより低コストであり得る。帯域外通信チャンネルは、より長い距離通信を支持し得、これにより、共振器の発見および出力システムマッピングが可能となる。帯域外通信チャンネルは、出力転送が発生しているか否かにかかわらず動作し得、出力転送の妨害無く発生し得る。
【０１４５】
無線エネルギーシステムの例示的実施形態を図１８に示す。この例示的実施形態は、２つのデバイス共振器１８０２および１８１６と、２つのソース共振器１８０６および１８１０とを含む。２つのデバイス共振器１８０２および１８１６はそれぞれ、帯域外通信モジュール１８０４および１８１８を備える。２つのソース共振器１８０６および１８１０はそれぞれ、固有の帯域外通信モジュール１８０８および１８１２を備える。前記システムは、帯域外通信チャンネルを用いて、エネルギー移動を調節および調整することができる。通信チャンネルを用いて、近隣の共振器の発見、出力転送の開始、および動作パラメータ（例えば、個々の共振器の出力、インピーダンス、周波数）の調節の通信を行うことができる。
【０１４６】
いくつかの状況において、デバイス共振器が１つの源と不正確に通信するが、別のソース共振器からのエネルギーを受信する場合がある。例えば、源からの出力を要求する帯域外通信信号をデバイス１８０２が送信する場合を想定する。源１８１０は、応答し、出力をデバイス１８０２へと共有し得る。デバイス１８１６もまた、源からの出力を要求する帯域外通信信号を送信し、源１８０６は、応答し、出力をデバイス１８１６へと供給し始める。デバイス１８０２は源１８０６の近隣にあるため、デバイス１８０２は、源１８０６からの出力のうち一部またはほとんどを受信する。デバイス１８０２が受信する出力レベルが高すぎる場合、デバイス１８０２は、帯域外通信信号を源１８１０へと送信して、源１８１０からデバイス１８０２へと送られる出力を低減する。しかし、デバイス１８０２がその後も過剰な出力を受信している場合がある。なぜならば、デバイス１８０２は源１８０６からの出力を受信しているが、源１８０６への制御信号と通信していないからである。
【０１４７】
よって、エネルギー移動チャンネルと、通信チャンネルとを分離することにより、性能、制御、安全、セキュリティ、信頼性などを無線エネルギー移動システムにおいて得ることが可能になる。実施形態において、無線エネルギー移動システム内の共振器が出力の交換相手である共振器全てを特定／指定および確認する必要があり得る。当業者であれば認識するように、図１８に示す例は一例に過ぎず、明示的または暗示的なエネルギー移動確認工程からの恩恵を受けることが可能な、多数の構成および配置構成の無線出力伝送システムがある。
【０１４８】
実施形態において、少なくとも１つの確認工程を提供することにより、可能な性能、制御、安全、セキュリティ、信頼性などの問題を回避することができる。前記少なくとも１つの確認工程により、一対の共振器によって用いられるエネルギー移動チャンネルおよび通信チャンネルが、前記一対の共振器と関連付けられる。
【０１４９】
実施形態において、前記確認工程は、前記無線エネルギー移動チャンネルを通じたいくつかのさらなる情報交換または信号送信を含み得る。前記エネルギー移動チャンネルまたは前記エネルギー移動チャンネルのフィールドを用いた通信または情報交換を含む確認工程を用いて、エネルギー交換を行っているかまたは行うことになるこれら２つの共振器間の情報交換を前記帯域外通信チャンネルが行っていることを確認することができる。
【０１５０】
実施形態において、帯域外通信チャンネルにより、前記確認工程は、暗示的または明示的であり得る。いくつかの実施形態において、確認は暗示的であり得る。実施形態において、エネルギー移動チャンネルの挙動と、帯域外情報交換に応答して発生するパラメータの予測挙動とを監視および比較することにより、エネルギー移動チャンネルを暗示的に確認することができる。例えば、帯域外通信を確立することにより、デバイスは、無線源から伝送される出力量を増やすよう、要求し得る。これと同時に、無線エネルギー移動チャンネルおよび共振器のパラメータを監視することができる。前記デバイスに送達される出力の増加の観察を用いることで、前記帯域外通信チャンネルおよび前記エネルギー移動チャンネルが正確に指定共振器へ接続されていることを推察することができる。
【０１５１】
実施形態において、暗示的確認工程は、前記無線エネルギー移動の任意の数の前記パラメータまたは前記無線エネルギー移動において用いられる前記共振器および構成要素のパラメータを監視する工程を含み得る。実施形態において、前記共振器およびその駆動回路などの電流、電圧、インピーダンス、周波数、効率、温度と、帯域外通信交換に起因する予測値、傾向、変化などとを監視および比較することができる。
【０１５２】
実施形態において、共振器は、通信交換に起因して発生する、これらのパラメータの測定されたパラメータおよび予測値、傾向および／または変化の表を保存し得る。共振器は、通信および観察されたパラメータ変化の履歴を保存し得る。この履歴を用いて、エネルギー移動チャンネルを確認することができる。いくつかの場合において、通信交換に起因する単一の予期しないパラメータ変化は、帯域外チャンネルが不正確に組み合わせられていると判断するには不十分である場合がある。いくつかの実施形態において、いくつかまたは多数の通信交換を通じてパラメータ変化の履歴を走査または監視して、確認を行うことができる。
【０１５３】
一連の工程を示す例示的アルゴリズムを図１９Ａに示す。このアルゴリズムを用いて、無線エネルギー移動システム内のエネルギー移動チャンネルを帯域外通信を用いて暗示的に確認することができる。第１の工程１９０２において、源とデバイスとの間の帯域外通信チャンネルを確立する。次の工程１９０４において、前記源およびデバイスは、無線エネルギー移動のパラメータまたは無線エネルギー移動に用いられる構成要素のパラメータについての情報を交換し得る。前記帯域外通信チャンネル上における情報交換は、エネルギー移動を制御および調節するためのシステムの通常動作において用いられる通常交換であり得る。いくつかのシステムにおいて、前記帯域外通信チャンネルを暗号化することで、盗聴、なりすましなどを回避することができる。次の工程１９０６において、前記源および前記デバイスまたは源のみまたはデバイスのみが、無線エネルギー移動のパラメータの任意の変化またはエネルギー移動において用いられる構成要素のパラメータの任意の変化を監視および追跡することができる。前記追跡された変化と、任意の帯域外通信交換に起因するパラメータの予測変化とを比較することができる。パラメータの１つ以上の観察された変化がパラメータの予測変化に対応しない場合、検証が失敗したとみなされ得る。
【０１５４】
いくつかの実施形態において、無線エネルギー移動システム確認は、明示的であり得る。実施形態において、源またはデバイスは、無線エネルギー移動のパラメータと、無線エネルギー移動において用いられる共振器のパラメータに対して変更、ディザリング、変調などを行って、確認可能な信号をエネルギー移動チャンネルを通じて源またはデバイスへと通信し得る。前記明示的確認は、無線エネルギー移動のいくつかのパラメータまたは明示的確認目的のためにエネルギー移動において用いられる共振器および構成要素のパラメータなどに対して変更、改変、変調などを行う工程を含み得、エネルギー移動の最適化、チューニングまたは調節と関連付けられない場合がある。
【０１５５】
無線エネルギー移動のいくつかのパラメータまたは別の無線エネルギー共振器または構成要素への信号送信目的または通信のためにエネルギー移動において用いられる共振器および構成要素のパラメータに対して変更、改変、変調などを行う工程も、帯域内通信と呼ばれ得る。実施形態において、前記帯域内通信チャンネルは、無線エネルギー移動共振器および構成要素の一部として実行され得る。共振器のパラメータを変更することにより、情報を１つの共振器から別の共振器へと送ることができる。１つの共振器により、パラメータ（例えば、インダクタンス、インピーダンス、抵抗）をディザリングまたは変更することができる。これらの変更に起因して、信号送信共振器の周囲の他の共振器のインピーダンス、抵抗またはインダクタンスに影響が発生し得る。これらの変更は、前記共振器上の電圧、電流などの対応するディザーとして示され得る。前記共振器上の電圧、電流などは検出され、メッセージとして復号化され得る。実施形態において、帯域内通信は、エネルギー移動に用いられる磁界の出力レベル、振幅、位相、方向付け、周波数などを変更、改変、変調などを行う工程を含み得る。
【０１５６】
一実施形態において、前記明示的帯域内確認は、帯域外通信チャンネルの確立後に行われ得る。前記帯域外通信チャンネルを用いて、源およびデバイスは、出力転送能力および帯域内信号送信能力について情報を交換することができる。その後、源とデバイスとの間の無線エネルギー移動を開始することができる。前記源またはデバイスは、その他の源またはデバイスに対して要求または疑義提起を行って、前記帯域内通信チャンネルを用いて信号送信して、前記帯域外および通信チャンネルと前記エネルギー移動チャンネルとの間の接続を確認することができる。前記帯域外通信チャンネル内において信号送信の同意が確立されるのが前記帯域内通信チャンネルにおいて観察された場合、前記チャンネルが確認される。
【０１５７】
実施形態において、確認を行うことができるのは、エネルギー交換プロトコルにおける特定のタイミングまたは所定のタイミングにおいてのみである（例えば、エネルギー移動開始時）。他の実施形態において、無線エネルギー移動システムの通常動作時において、明示的確認工程を行うことができる。無線出力転送の効率または特性の変化に起因して前記物理的方向が変化したとの信号が送信された場合、前記確認工程がトリガされ得る。実施形態において、前記通信コントローラは、エネルギー移動特性の履歴を保持し得、特性変化が観察されたとき、前記共振器を用いた信号送信を含む転送の確認を開始する。エネルギー移動特性の変化は、例えば、共振器または前記共振器の構成要素および出力および制御回路ののエネルギー移動効率、前記インピーダンス、電圧、電流の変化として観察され得る。
【０１５８】
当業者であれば、メッセージ送信が可能な信号送信および通信チャンネルを、任意の数の暗号化、認証およびセキュリティアルゴリズムによって保護することができることを理解する。実施形態において、帯域外通信を暗号化し、セキュアな通信チャンネルを用いて、帯域内チャンネルを用いてランダムシーケンスを確認のために送信することができる。実施形態において、帯域内通信チャンネルの暗号化、ランダム化または保護を任意の公知のセキュリティおよび暗号化プロトコルおよびアルゴリズムによって行うことができる。セキュリティおよび暗号化アルゴリズムを用いて、共振器間の互換性を認証および確認し、公開鍵基盤（ＰＫＩ）および第２の通信チャンネルを認証および承認のために用いることができる。
【０１５９】
源とデバイスとのエネルギー移動システムの実施形態において、前記デバイスは、エネルギー移動チャンネルが所望源または想定源からエネルギーを受領していることを確認することができる。源は、前記エネルギー移動チャンネルを確認して、前記所望源または想定源へとエネルギーが転送されていることを確認することができる。いくつかの実施形態において、前記確認は双方向であり得、源およびデバイス双方は、エネルギー移動チャンネルが１つの段階またはプロトコル動作にあることを確認することができる。実施形態において、２つよりも多くの共振器があり得、リピーター共振器があり得る。複数の共振器の実施形態において、通信および制御を１つまたは少数の共振器に集中させてもよいし、あるいは、ネットワーク内の多数の、大部分のまたは全ての共振器に通信および制御を分散させてもよい。実施形態において、通信かつ／または制御は、他の無線エネルギー移動構成要素へと接続された１つ以上の半導体チップまたはマイクロコントローラによって行われ得る。
【０１６０】
図１９Ｂに示す例示的アルゴリズムは、一連の工程を示す。これら一連の工程を用いて、帯域外通信を用いて無線エネルギー移動システム内のエネルギー移動チャンネルを明示的に確認することができる。第１の工程１９０８において、帯域外通信チャンネルを源とデバイスとの間に確立する。次の工程１９１０において、前記源およびデバイスは、信号送信プロトコル、方法、スキームなどについて協調または同意する。前記信号送信プロトコル、方法、スキームなどは、無線エネルギー移動チャンネルを通じて送信され得る。盗聴回避およびセキュリティ提供のため、帯域外通信チャンネルを暗号化し、前記源およびデバイスは、任意の数の公知の暗号認証プロトコルに追随し得る。暗号プロトコルによってイネーブルされたシステムにおいて、認証コードは、チャレンジレスポンス方式の交換を含み得る。前記チャレンジレスポンス方式の交換により、さらなるレベルのセキュリティおよび認証能力が得られる。例えば、デバイスは、前記デバイスから前記源へと送られたランダム認証コードを前記帯域外通信チャンネルを介して共有秘密暗号鍵または秘密鍵を用いて暗号化するよう、前記源に要求し得る。その後、前記帯域外通信チャンネルを通じて送られた認証コードを帯域内通信チャンネルを通じて信号送信する（１９１２）。前記源およびデバイスが暗号プロトコルによってイネーブルされた場合、前記帯域内通信チャンネルを通じて信号送信された前記認証コードを送信者が一方向性でない暗号機能によって暗号化または変更することができ、これにより、受信者は、前記送信者のさらなる認証を行うことができ、また、前記帯域外通信チャンネルと関連付けられた同一源またはデバイスへと前記帯域内通信チャンネルが連結されていることを確認することができる。
【０１６１】
前記確認が失敗した場合、無線エネルギー移動システムは、前記検証プロシージャを反復し得る。いくつかの実施形態において、前記システムは、前記帯域内通信チャンネルを用いた再度の信号送信のための別の確認シーケンスを交換することにより、前記無線エネルギー移動チャンネルを再度認証しようとする。いくつかの実施形態において、前記帯域内通信チャンネルの確認の試行が失敗した後、前記システムは、前記帯域内通信チャンネルの確認に用いられるシーケンスまたは情報の種類を変更または改変し得る。前記システムは、帯域内通信認証コードの信号送信種類、プロトコル、長さ、複雑度などを変更し得る。
【０１６２】
いくつかの実施形態において、帯域内通信チャンネルおよびよってエネルギー移動チャンネルの確認が失敗した場合、前記システムは、帯域内通信チャンネル内の信号送信方法の出力レベル、変調強度、変調周波数などを調節することができる。例えば、デバイスによる源の確認が失敗した場合、前記システムは、前記確認をより高いエネルギー移動レベルにおいて実行することを試行し得る。前記システムは、より強い磁界を生成する源の出力を増加し得る。別の例において、デバイスによる源の確認が失敗した場合、ソース共振器のインピーダンスを変更することにより前記認証コードを前記デバイスへと通信した前記源は、信号送信のためのソース共振器のインピーダンスの変化量を増加または倍加させ得る。
【０１６３】
実施形態において、前記エネルギー移動チャンネルの確認が失敗した場合、前記システムは、前記帯域外通信チャンネルを用いて他の可能な源またはデバイスを探索、発見または探求しようと得る。実施形態において、前記帯域外通信チャンネルを用いて、無線エネルギー移動のための他の可能な候補を発見することができる。いくつかの実施形態において、前記システムは、前記帯域外通信チャンネルの出力または範囲を変更または調節して、偽ペアリングの最小化を支援することができる。
【０１６４】
前記帯域外通信チャンネルは、いくつかのモード、長距離モードを用いるように出力変調され得、これにより、源および短距離または低出力モードを検出して、指定距離内の別のデバイスまたは源との通信を確認する。実施形態において、前記帯域外通信チャンネルは、各用途における無線チャンネル範囲と整合され得る。前記エネルギー移動チャンネルの確認が失敗した後、前記帯域外通信チャンネルの出力をゆっくりと増加させることにより、無線エネルギー移動のための他の可能な源またはデバイスを発見することができる。上述したように、帯域外通信チャンネルが示し得る干渉および妨害は、エネルギー移動チャンネルおよび源の干渉および妨害と異なり得、帯域外通信のためにより高い出力レベルを必要とし得るデバイスは、無線エネルギー移動を可能にするために充分に近接し得る。
【０１６５】
いくつかの実施形態において、遮蔽または位置決めを用いて密閉区域（例えば、車両下）のみにおいて有効となるように、帯域外通信チャンネルの方向付け、配置、集中配置などを行うことができ、これにより、エネルギー移動のために充分な近隣、位置および方向付けにある別の源またはデバイスとの通信のみが可能となる。
【０１６６】
実施形態において、前記システムは、帯域外通信チャンネルの確立または帯域内エネルギー移動チャンネルの確認のための１つ以上の補助情報源を用い得る。例えば、帯域外通信チャンネルの初期確立時において、源またはデバイスの位置と、既知の位置またはマッピングされた位置あるいは無線源またはデバイスの位置データベースとを比較することで、エネルギー移動を成功させるために最も可能性の高い一対を決定することができる。１つ以上のＧＰＳ受信器、位置決めセンサーからのデータ、内部誘導システムなどからのＧＰＳデータと共に、帯域外通信チャンネル発見を行うことができる。
【０１６７】
確認についての例示的実施形態について、源およびデバイスからなるシステムにおいて説明したが、任意の数の源、デバイスまたはリピーターを含むシステムにおいて確認を行うことが可能であることが理解されるべきである。単一の源は、複数のデバイスへの確認を提供することができる。いくつかの実施形態において、複数の源は、出力を１つ以上のデバイスへと提供することができ、それと同時に各出刃居るが変更され得る。実施形態において、確認は、リピーターによって行われ得る。いくつかの実施形態において、確認は、リピーターを通じて行われ得る。リピーター共振器を介して源からの出力を受信したデバイスは、前記リピーターからの出力の源を確認し得る。リピーター共振器を介して源からの出力を受信したデバイスは、前記リピーターを通じてエネルギー源を確認し得る（すなわち、帯域内通信を確認のために前記リピーターから前記源へと送ることができる）。これらのおよび他の構成は全て、本発明の範囲内であることが当業者にとって明らかである。
【０１６８】
低抵抗導電体
【０１６９】
上述したように、無線エネルギー移動に用いられる共振器構造は、高周波振動電流を伝導させる導電性ワイヤを含み得る。いくつかの構造において、前記伝導体の有効抵抗は、共振器構造の品質係数に影響を与え得、より低い損失またはより低い抵抗の伝導体が好適であり得る。本発明者らによれば、（固体ワイヤ伝導体またはさらには同一の等価ワイヤゲージ（直径）のリッツ線伝導体と比較して）高周波における導電性ワイヤの有効抵抗を低下させるための新規な構造が発見された。
【０１７０】
実施形態において、同心円筒状の導電性シェルを含む構造を設計することができる。前記同心円筒状の導電性シェルは、ＭＨｚ範囲の周波数において、同様のサイズの固体ワイヤ伝導体または市販のリッツ線よりもより低い電気抵抗を有する。このような周波数において、ワイヤ抵抗は、表皮厚さによる影響（近接効果とも呼ぶ）に主に起因する。このような影響または効果により、ワイヤ断面上に電流が不均等に分布する事態が回避される。より低い周波数において、前記ワイヤを多数の肉薄の絶縁ワイヤストランドのブレイド（例えば、リッツ線）に分解することにより、表皮厚さによる影響を軽減することができる。前記絶縁ストランドの直径は、対象動作周波数において、前記伝導体表皮厚さに関連する。ＭＨｚ周波数範囲において、典型的な伝導体（例えば、銅）の表皮厚さは、１０μｍのオーダーであり、これにより、従来のリッツ線の実行様態が非実際的になる。
【０１７１】
本発明者らによれば、前記ワイヤを複数の適切に設計された同心絶縁導電性シェルに分解することにより、１ＭＨｚを超える周波数において表皮厚さによる影響を軽減できることが発見された。実施形態において、１０個よりも少数の同軸シェルを含むワイヤは、固体ワイヤと比較して３倍だけＡＣ抵抗を低減することができる。実施形態において、多様なプロセス（例えば、電気めっき、電着、蒸着、スパッタリング、および光ファイバーの作製に従来適用されてきたプロセス）により、肉薄の同心シェルを含むワイヤまたは伝導体を作製することができる。
【０１７２】
実施形態において、準静的マクスウェル方程式を用いて、入れ子構造の円筒状伝導体を含む導電性構造を分析することができる。これらの導電性構造の設計において特に重要な点として、その他の導電性シェルのうち各導電性シェルによって磁界を介して誘発された近接損失を考慮する点がある。モデリングツールを用いて、導電性シェル数、導電性シェルのサイズおよび形状、所与の伝導体直径に対する絶縁材料の種類および厚さ、動作周波数および環境、コストなどを最適化することができる。
【０１７３】
新規な伝導体構造の一実施形態は、Ｎ個の同心導電性シェルを含む。このような構造は、類似のゲージの固体またはストランドワイヤまたは市販のリッツ線と比較して、１０ＭＨｚ範囲の周波数においてより低いＡＣ抵抗を有するように設計され得る。
【０１７４】
導電性シェルを含むワイヤまたは伝導体の実質的には、電気絶縁体によって分離された少なくとも２つの同心導電性シェルを含み得る。４つの同心シェルを含む導電体の例示的実施形態を図２０に示す。前記伝導体は、ｚ軸に沿って無限の長さを持ち得る点に留意されたい。すなわち、ｚ軸に沿った長さは、前記ワイヤまたは伝導体の長さである。また、前記ワイヤまたは伝導体は、等価ゲージまたは厚さの他の伝導体と同様に、任意の数の屈曲部、曲線部、捻れ部など（図示せず）を持ち得る。また、実施形態において、前記シェルの断面が環状実質的に環状であり、前記シェルは結果的に円筒状または実質的に円筒状である点に留意されたい。前記断面およびよって得られる３次元構造の形状は制限されない。例えば、前記断面形状は、実質的ににおいて矩形であり得る。
【０１７５】
図２０に示す実施形態は、導電体の４つの同心シェル２００８、２００６、２００４および２００２を含む。これらの同心シェルは、導電性ワイヤの長さ全体を通じてｚ軸に沿って延びる。これらの伝導体シェルは、中央または最も内側の伝導体シェルに対する位置によって参照され得る。慣習として、前記最も内側のシェルを第１のシェルと呼び、各連続するシェルを第２のシェル、第３のシェルなどと呼ぶ。これらの連続するシェルは、入れ子構造同心シェルとも呼ばれる。例えば、図２０に示す実施形態において、伝導体シェル２００２は、第１のシェルまたは最も内側のシェルと呼ばれ得、伝導体２００４は第２のシェルと呼ばれ得、伝導体２００６は第３のシェルと呼ばれ得、伝導体２００８は第４のまたは最も外側のシェルと呼ばれ得る。各シェル（例えば、最も内側のシェルおよび最も外側のシェルを除く）は、２つの隣接シェル、内側隣接シェルおよび外側隣接シェルに直接隣接する。前記最も内側のシェルは外側隣接物のみを有し、前記最も外側のシェルは内側隣接物のみを有する。例えば、第３の伝導体２００６は、２つのシェル隣接物を有し、前記内側隣接物は第２のシェル２００４であり、前記外側隣接物は第４の２００８である。実施形態において、前記内側シェルは、固体コアであり得る（実施形態において、内径ゼロの円筒）。あるいは、前記内側シェルは、有限の内径を有し、絶縁材料などで構成されたコアを包囲する。
【０１７６】
実施形態において、各連続するシェルは、前記伝導体のｚ軸に沿って内側隣接シェルを被覆する。各シェルは、各シェル面を除く内側隣接シェルを包囲する。各シェル面は、前記伝導体の端部において露出される。例えば、図２０に示す実施形態において、シェル２００２によって外側隣接物シェル２００４の周囲を包囲し、シェル２００４は２００６によって包囲されるといった具合である。
【０１７７】
実施形態において、各連続するシェルは、１つ以上の伝導体細長片を含み得る。前記１つ以上の伝導体細長片は、前記構造の円筒状ジオメトリに適合するような形状にされる。実施形態において、各シェル中の細長片は、相互に絶縁され得、隣接するシェル中の細長片へと規則的に接続され得、これにより、前記シェルおよび／または細長片の入力インピーダンスにより電流が自然に強制分配され、前記構造の抵抗が最小化される。実施形態において、各シェル中の細長片は、特定ピッチで被覆され得る。構造全体のインピーダンス整合を支援するように、異なるシェルにおけるピッチを変更することができる。
【０１７８】
図２０は、導電性層を含む伝導体の端面を示す。これらの導電性層は、前記層を明確に示すように積層される。図面中の積層は、前記伝導体の好適な終端としてみなされるべきではない。同一面または図２０に示すような異なる積層面において終端する全てのシェルにより、複数のシェルを含む伝導体を終端させることができる。
【０１７９】
実施形態において、最も内側の伝導体シェル２００２は、図２０に示すように固体であり得る。実施形態において、前記最も内側の伝導体シェルは中空であり得、伝導体のｚ軸に沿って長さ方向において穴または空洞を規定する。
【０１８０】
実施形態において、隣接シェルを電気絶縁体層により相互に分離させることができ、これにより、隣接層が相互に電気的に接触しない。前記絶縁層の厚さおよび材料は、各隣接シェル間の電圧、電流および相対的電位に依存し得る。一般的に、絶縁破壊電圧が隣接導電性シェル間の電位を超えるように、前記絶縁体を選択すべきである。実施形態において、最も外側のシェル２０１０の外側をさらなる電気絶縁体または保護ケーシングによって被覆して、電気的安全、耐久性、耐水性などを得ることができる。実施形態において、異なるシェルおよび絶縁体層は、用途、周波数、出力レベルなどに応じて、異なる厚さを持ち得る。
【０１８１】
４つのシェルを含む伝導体の実質的にの別の断面を図２１に示す。図２１は、伝導体シェル２１０２、２１０４、２１０６および２１０８を含む伝導体のｚ軸に対して垂直な断面を示す。図２１および図２０において、前記絶縁層は明示的に図示されていないが、多様なシェル間に配置すべきであることが理解される点に留意されたい。実施形態において、前記絶縁層の厚さは、特に前記導電性シェルの厚さと比較して極めて肉薄であり得る。
【０１８２】
特定の基準（例えば、ワイヤによって搬送される電圧および／または電流レベル、共振器の動作周波数、サイズ、重量および前記共振器の柔軟性要求、必要なＱ値、システム効率、コスト）について、同心導電性シェルの厚さ、相対的厚さ、サイズ、組成、形状、数、合計搬送電流の比を選択または最適化することができる。前記伝導体の適切なサイズ、数、間隔などは、例えば分析的に、シミュレーションを通じて、試行錯誤的に決定することができる。
【０１８３】
直径は類似するが異なる伝導体配置構成の伝導体中の電流分布を比較することにより、同心シェル設計の恩恵を知ることができる。例示目的のため、２つの同心シェル伝導体構造および１つの固体伝導体中の電流分布の計算を図２２〜図２４に示す。これらの図は、前記伝導体の断面の４分の１を示す。前記伝導体は、ｘ＝０、ｙ＝０座標の周囲において対称である。これらの図は、１０ＭＨｚにおける銅伝導体の電流密度を示す。前記銅伝導体の外径（ＯＤ）は１ｍｍであり、前記銅伝導体はピーク電流１Ａを搬送する。段階的な陰付き部分は、前記図の右側の凡例に示すように、より高い電流密度を示す点に留意されたい。
【０１８４】
図２２は、単一の１ｍｍ直径の銅の固体コアを含むワイヤの電流分布を示す。電流は前記固体伝導体の外周に集中するため、電流分布範囲が制限され、有効抵抗は２６５．９ｍΩ／ｍとなる点に留意されたい。このような挙動は、公知のの近接効果を示す。
【０１８５】
図２３は、１ｍｍ直径のワイヤが、２４個の相互絶縁された５．１９μｍの同心導電性シェルを固体最も内側の銅シェルの周囲において含む（合計で２５個の導電性シェル要素）実施形態の電流分布を示す。最適な電流密度（すなわち、ＡＣ抵抗を最小化するシェル間の電流分布は、当業者に公知の数学技術を用いて所与の構造において見つけることができる）。この構造はより均等に分布し、これにより、電流が流れる断面が増加し、前記ワイヤが５５．２ｍΩ／ｍへ低減する点に留意されたい。同心導電性シェルを含むこのワイヤのＡＣ抵抗は、同様のサイズの固体導電性ワイヤよりもほぼ５倍だけ低い点に留意されたい。
【０１８６】
図２４は、１ｍｍ直径のワイヤが２５個の導電性シェル（例えば、最も内側の固体コア）を含む実施形態の電流分布を示す。全体的抵抗を最小化するために、前記最も内側の固体コアの厚さをシェルによって異ならせる。異なる厚さの各シェルは、前記ワイヤの外部に向かってより肉薄となる。この実施形態において、前記シェルの厚さは、１６．３μｍ〜３．６μｍの範囲である（ただし、前記最も内側の固体シェルは除く）。図２４中の差し込み図は、前記シェル間の界面のラジアル位置を示す。図２４に示すような異なる厚さのシェルを含むワイヤの有効抵抗は、５１．６Ω／ｍである。図２２〜図２４に示す導電性構造の抵抗は、Ａ．Ｋｕｒｓ，Ｍ．ＫｅｓｌｅｒおよびＳ．Ｇ．Ｊｏｈｎｓｏｎ（「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｌｏｗ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｕｌｔｉｍｅｇａｈｅｒｔｚ  ｒａｎｇｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９８，１７２５０４（２０１１）」ならびに米国仮出願シリアル番号第６１／４１１，４９０号（出願日：２０１０年１１月９日）に記載の方法を用いて分析的に計算した。本明細書中、各文献の内容全体を本明細書中に全体が記載されているかのように参考のため援用する点に留意されたい。簡潔にするために、前記シェル間の絶縁隙間を各構造において無視できるくらいに小さくする。
【０１８７】
図２３〜図２４にモデルとして示す実施形態は、固体の最も内側の伝導体シェルを含むが、前記シェル中を流れる電流のうちほとんどは、この最も内側のシェルの外側層に制限される点に留意されたい。他の実施形態において、この固体の最も内側のシェルの代わりに中空シェルまたは絶縁体が充填されるシェル、少数の表皮厚さを用いることができ、前記構造のＡＣ抵抗の大幅な増加を無くすことができる。
【０１８８】
図２５〜図２７は、同心導電性シェルおよび同一導電性材料の１ｍｍＯＤ固体コアワイヤを含む１ｍｍＯＤワイヤにおいて達成可能なより低いＡＣ抵抗の比を（シェル数Ｎおよび動作周波数ｆの関数として）比較するプロットを示す。
【０１８９】
図２５は、最適化された円筒状のシェル伝導体が同一ＯＤの固体伝導体よりもずっと優れていることを示す。図２５から分かるように、固体伝導体上の最適化同心シェル伝導体の相対的移動のうちほとんどは、ごく少数の要素数またはシェルを用いた構造において発生する。例えば、１０個の同心導電性シェルを含むワイヤのＡＣ抵抗は、２〜２０ＭＨｚ範囲全体において、類似のサイズの固体ワイヤよりも３倍だけ低い。等価的に、レジームＫＤ＞＞１内の固体伝導体の抵抗（Ｋは、前記伝導体の表皮厚さδおよび直径Ｄの逆数である）は１／Ｄとスケールされ、１０個のシェルを含む伝導体は、シェルを含むワイヤよりも３．３３倍大きな直径（および約１０倍の面積）を有する固体伝導体と同じ単位毎の抵抗を有する。
【０１９０】
シェル数を２０個および３０個に増加した場合、ＡＣ抵抗を類似のサイズの固体ワイヤのＡＣ抵抗よりもさらに４倍だけ低くおよび５倍だけ低くすることができる。
【０１９１】
複数の伝導体シェルを含む本開示の構造を用いた場合、各シェルのインピーダンス整合を行って最適な電流分布を確保する必要があり得る点に留意されたい。しかし、ほとんどの用途（＜４０）において比較的少数のシェル伝導体に起因して、各シェルのインピーダンスを（例えば集中素子整合ネットワークを用いて）個々に整合させて最適電流分布を達成する総当たりアプローチを実行することができる（類似のインピーダンス整合問題が、ずっとより低い周波数に関わらず、多層高ＴＣ超導電性出力ケーブルにおいて発生する（以下を参照：Ｈ．Ｎｏｊｉ，Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１０，５５２（１９９７）．およびＳ．Ｍｕｋｏｙａｍａ，Ｋ．Ｍｉｙｏｓｈｉ，Ｈ．Ｔｓｕｂｏｕｔｉ，Ｔ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｍ．Ｍｉｍｕｒａ，Ｎ．Ｕｎｏ，Ｍ．Ｉｋｅｄａ，Ｈ．Ｉｓｈｉｉ，Ｓ．Ｈｏｎｊｏ，ａｎｄ Ｙ．Ｉｗａｔａ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．９，１２６９（１９９９））。これらの文献の内容全体をあたかも本明細書中に全て記載されているかのように援用する。
【０１９２】
実施形態において、ワイヤの同心導電性シェルは好適には、円筒状断面または円形断面を持ち得る。しかし他の形状も企図され、固体伝導体と比較して実質的な向上が得られる。楕円形状、矩形形状、三角形状または他の不規則形状を有する同心導電性シェルが、本発明の範囲内である。各断面形状の実用性および有用性は、用途、製造コストなどに依存し得る。
【０１９３】
本開示の本部分において、複数の伝導体シェルを含む構造をワイヤと呼ぶ場合がある。ワイヤという用語は、前記構造の任意の特定のまたは最終形態の要素に限定されないことが理解されるべきである。実施形態において、前記構造は、従来のワイヤの代わりに用いられ得る自立型伝導体を含み得る。実施形態において、複数のシェルを含む構造は、多層プリント回路基板または基板上に製造またはエッチングすることができる。前記構造は、例えばエッチング、ウェーハ、基板上の蒸着され得る。実施形態において、多様なプロセス（例えば、電気めっき、電着、蒸着、または光ファイバー製造において用いられるプロセス）を用いることにより、肉薄の同心シェルを製造することができる。
【０１９４】
前記伝導体構造は、無線エネルギー移動に用いられる多数の共振器またはコイル構造において用いられ得る。前記多シェル構造は、例えば図２Ａ〜図２Ｅに示す共振器の一部として用いられ得る。低損失伝導体を磁石材料コアの周囲を被覆することで、低損失平面の共振器を形成する。この低損失伝導体をプリント回路基板上にエッチングまたは印刷することで、プリントコイルなどを形成することができる。
【０１９５】
無線エネルギー分配システム
【０１９６】
無線エネルギーは、リピーター共振器を用いて領域上に分配され得る。実施形態において、一連のリピーター共振器およびソース共振器を領域上に位置決めまたはタイリングすることにより、全体領域（例えば、床、天井、壁、テーブル面、表面、棚、本体、領域）を無線的に活性化することができる。いくつかの実施形態において、共振器を含むオブジェクトのグループ間において出力を共有することができ、出力を無線送信しかつ／または前記グループ中の多様なオブジェクトを通じて無線送信することができる。例示的実施形態において、複数の車両を一領域中に駐車させることができ、ソース共振器から無線出力を直接受信するように、前記車両のうち数台のみを配置することができる。このような実施形態において、特定の車両は、源から無線出力を直接受信するような位置に駐車されていない車両へ、前記無線出力のうち一部を再送信および／または反復し得る。実施形態において、車両充電源から供給された出力は、リピーターを用いて、車両中への出力を出力デバイス（例えば、携帯電話、コンピュータ、ディスプレイ、ナビゲーションデバイス、通信デバイス）へと送信することができる。いくつかの実施形態において、無線出力源上に駐車された車両は、前記車両が受領する出力の量と、前記源から他の近隣車両へと再送信または反復される出力量との間の比を変化させ得る。実施形態において、無線出力は、１つの源からそれぞれのデバイスへとデイジーチェーン様態で送信され得る。実施形態において、特定のデバイスは、前記デバイスが受信する出力と、前記デバイスが送る出力量とを自己決定することができる。実施形態において、多様なデバイスおよび／またはリピーター間における出力分配をマスターノードまたは中央コントローラによって制御することができる。
【０１９７】
いくつかのリピーター共振器は、１つ以上のソース共振器の近隣に配置することができる。前記源からのエネルギーを、例えば前記源から前記リピーターへとまたこれらのリピーターから他のリピーターへと、そして他のリピーターへと転送することができる。そのため、小型源を用いて、エネルギーを比較的大きな領域へと無線的に送達することができる。前記小型源は、外部エネルギー源への物理的アクセスまたは有線アクセスを必要とする構成要素のみである。
【０１９８】
実施形態において、複数のリピーター共振器をおよび少なくとも１つの源を用いたエネルギー分配を用いると、多数の利点が得られる（例えば、取付のし易さ、構成可能性、制御、効率、適合可能性、コスト）。例えば、複数のリピーター共振器を用いることにより、より容易な取り付けが可能となる。なぜならば、領域を小さなインクリメントのリピーター共振器によって被覆することができ、リピーターまたは源およびリピーター間の接続または配線は不要であるからである。同様に、複数のより小型のリピーターコイルを用いることにより、配置の柔軟性を高めることができ、これにより、不規則形状の領域の配置構成および被覆が可能になる。さらに、前記リピーター共振器を容易に移動または再配置することで、一領域内の磁界分配を変更することができる。いくつかの実施形態において、前記リピーターおよび前記源は調節可能であり、これにより、前記リピーター共振器を前記ソース共振器からチューンまたは離調し、前記リピーターによって被覆された領域内のエネルギー移動または磁界分配の動的再構成が可能になり、前記システム構成要素の物理的移動は不要である。
【０１９９】
例えば、一実施形態において、リピーター共振器および無線エネルギー源をフローリングと一体化させることができる。実施形態において、共振器をフローリングまたはフローリング製品（例えば、カーペットタイル）と一体化させることで、一領域、部屋、特定の位置、複数の位置などへの無線出力が可能になる。リピーター共振器、ソース共振器またはデバイス共振器を前記フローリングと一体化させることができ、これにより、前記源からのエネルギーを前記床の領域上へと転送する一連のリピーター共振器を介して、１つ以上の源からの無線出力を前記床上の１つ以上のデバイスへと分配することができる。
【０２００】
前記技術、システム設計および方法を多数のフローリング種類、形状および材料（例えば、カーペット、セラミックタイル、木板、木パネル）において用いることが可能であることが理解される。各種類の材料について、当業者であれば、異なる技術を用いて、前記共振器を前記フローリング材料に一体化または取り付けることが可能であることを認識する。例えば、カーペットタイルの場合、前記共振器を下側に分散させるかまたは接着させることができ、セラミックタイルの場合、タイルを一体化させるためには、スラリー型の材料、エポキシ、プラスターなどが必要になり得る。いくつかの実施形態において、前記共振器を前記フローリング材料と一体化させる代わりに、前記フローリングの下側または前記フローリング上に配置する。前記共振器は、例えば、前記フローリングの下側に配置されたパディング材料中に事前パッケージされる。いくつかの実施形態において、一連のまたはアレイ状のパターン状の共振器を、大型材料片またはフローリングと一体化させることができる。前記共振器は、源、デバイスおよびリピーター共振器を含み得る。前記大型材料片またはフローリングは、一定サイズに切断またはトリムすることができる。より大型の材料を個々の共振器間においてトリムすることができ、切断片の動作を妨害または損傷しない。
【０２０１】
ここで、個々のカーペットタイルを含む無線床実施形態の例に戻る。前記個々のフローリングタイルは、無線出力がイネーブルされ得る。このイネーブルは、磁石共振器を前記タイルを前記タイルと一体化させるかまたは前記タイルの下側に挿入することにより、行われる。実施形態において、共振器は、良伝導体のループ（単数または複数）を含み得る（例えば、リッツ線）。前記共振器が容量要素に接続されることで、１０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの特定の共振周波数が得られる。実施形態において、前記共振器は高Ｑ共振器であり得、品質係数は１００を超える。当業者であれば、共振器（例えば、平面共振器、容量性負荷ループ共振器、本明細書中に記載のプリント伝導体ループ）のための多様な設計、形状および方法をフローリングタイルまたは他のフローリング材料内において統合または組み合わせることが可能であることを理解する。
【０２０２】
無線出力がイネーブルされた床タイルの例示的実施形態を図２８Ａおよび図２８Ｂに示す。床タイル２８０２は、導電体２８０４のループを含み得る。これらのループは、前記タイルの周囲内において巻かれる。実施形態において、前記共振器の伝導体２８０４は、さらなる電気または電子構成要素２８０６（例えば、コンデンサ、出力および制御回路、通信回路）へと接続され得る。他の実施形態において、前記タイルは、１つよりも多くの共振器と、１つよりも多くの伝導体ループとを含み得る。これらの伝導体ループは、本明細書中に記載のアレイまたは意図的なパターン（例えば、一連の多様なサイズのコイル、構成可能なサイズコイル）として配置され得る。
【０２０３】
実施形態において、タイルに一体化されたコイルおよび共振器は、磁石材料を含み得る。磁石材料を用いて、平面共振器構造（例えば、図２Ｃまたは図２Ｅに示すもの）を構築することができる。実施形態において、前記磁石材料を用いて、前記フローリングの下側またはその周囲に配置される損失性オブジェクトから前記共振器のコイルを遮蔽することができる。いくつかの実施形態において、前記構造は、層またはシート状の良導電体を前記磁石材料の下側にさらに含み得、これにより、本明細書中に記載のような磁石材料の遮蔽能力が増加する。
【０２０４】
共振器を含むタイルは、コイルまたは共振器構造に接続された制御回路、通信回路、感知回路などに応じて、多様な機能および能力を持ち得る。無線出力がイネーブルされたフローリングの実施形態において、前記システムは、複数の種類の無線イネーブルされたタイルを含み得る。前記タイルは、異なる能力を有する。一種類の床タイルは、磁石共振器のみを含み得、固定チューニングされたリピーター共振器として機能する。前記リピーター共振器は、出力を１つの共振器から別の共振器へと無線的に転送し、転送の際に直接的出力源または有線出力源または有線出力枯渇は不要である。
【０２０５】
別の種類の床タイルは、電子構成要素を制御するように接続された共振器を含み得る。これらの電子構成要素は、例えば共振器のキャパシタンス、インダクタンスなどを調節することにより、共振器の共振周波数の動的に変更または調節する。前記タイルは、帯域内通信能力または帯域外通信能力をさらに含み得、これにより、他の通信イネーブルされたタイルとの情報を交換することができる。その場合、前記タイルは、通信チャンネルから受信された信号に応じて、動作パラメータ（例えば、共振周波数）を調節することができる。
【０２０６】
別の種類の床タイルは、一体型センサーに接続された共振器を含み得る。前記一体型センサーは、温度センサー、圧力センサー、誘導センサー、磁石センサーなどを含み得る。前記共振器によって獲得された出力のうち一部または全てを用いて、前記センサーを無線的に出力することができ、前記共振器は、デバイスとして特にリピーターとして機能し得る。
【０２０７】
さらに別の種類の無線出力がイネーブルされた床タイルは、出力および制御回路を含む共振器を含み得る。前記出力および制御回路は、前記共振器を駆動するための増幅器および有線出力接続を含み得、無線出力源と同様に機能し得る。前記タイルそれぞれの特徴、機能および能力は、特定の設計制約を満たすように選択することができ、共振器、出力および制御回路、増幅器、センサー、通信能力などの任意の数の異なる組み合わせを持ち得る。
【０２０８】
図２９は、共振器タイルを含む構成要素のブロック図である。タイルにおいて、ａ共振器２９０２を出力および制御回路２９０６に任意選択的に接続して、出力および出力デバイスまたは任意選択のセンサー２９０４を受信する。さらなる任意選択の通信回路２９０８を出力および制御回路に接続し、受信信号に基づいて前記共振器のパラメータを制御することができる。
【０２０９】
異なる特徴および能力を有するタイルおよび共振器を用いて、異なる特徴および能力を有する無線エネルギー移動システムを構築することができる。システムの一実施形態は、源と、固定かつ調節されたリピーター共振器タイルとを含み得る。別のシステムは、通信能力を有する、固定されかつ調節可能な共振器タイルの混合物を含み得る。異なる種類の床タイルによって達成可能なシステム能力の差のうちいくつかを例示するために、無線床システムの例示的実施形態について説明する。
【０２１０】
無線床システムの第１の例示的実施形態は、源と、固定されかつ調節されたリピーター共振器タイルとを含み得る。この第１の実施形態において、複数の固定されかつ調節された共振器タイルを床上に配置して、タイル上または前記タイルの近隣上ににおいて源からの出力を領域または位置へと転送することができ、無線出力をデバイスへと送達することができる。前記デバイスは、前記タイルの上、前記タイルの下側、または前記タイルの隣に配置することができる。前記リピーター共振器は、固定周波数へと固定されかつ調節され得る。前記固定周波数は、前記源の周波数の近隣であり得る。第１の例示的実施形態の配置構成を図３０に示す。これらのタイル３００２は、少なくとも１つのソース共振器と共にアレイ状に配置され得る。前記少なくとも１つのソース共振器は、タイル３０１０と一体化させてもよいし、あるいは、出力源への壁３００６および有線３０１２へと取り付けることができる。いくつかのリピータータイルを前記ソース共振器の近隣に配置することができ、前記源からの出力を１つ以上のさらなるリピーター共振器を介して所望の位置へと転送するように配置される。
【０２１１】
エネルギーは、リピーター共振器を含むタイルにより、他のタイルおよび共振器へと転送され得る。前記他のタイルおよび共振器は、前記ソース共振器から離隔方向に配置される。前記リピーター共振器を含むタイルは、出力のデバイスへの送達に用いられ得、固有のデバイス共振器およびデバイス出力と一体化または接続され、前記タイルの上またはその近隣に配置された電子構成要素を制御する。例えば、複数のリピーター共振器３０１４、３０１６、３０１８および３０２０を介して、ソース共振器３００６からの出力を源３００６から内部領域または内部タイル３０２２へと無線的に転送することができる。複数のリピーター共振器３０１４、３０１６、３０１８および３０２０は、内部タイル３０２２と源３００６との間に設けられる。次に、内部タイル３０２２は、出力をデバイス（例えば、ランプ３００８のベースに内蔵された共振器）へと転送し得る。リピーター共振器を含むタイルは、無線エネルギー移動を前記床の全領域に拡張するように配置され得、これにより、前記床上のデバイスを前記領域内において自由に移動させることが可能になる。例えば、さらなるリピーター共振器タイル３０２４、３０２６および３０２８をランプ３００８の周囲に配置することで、出力（タイル３０１４、３０１６、３０１８、３０２０、３０２２、３０２４、３０２６および３０２８）の指定領域が得られる。前記指定領域上において、前記ランプは、前記源からのエネルギーを前記リピータータイルを介して受信するように、配置され得る。前記指定領域上において、出力が分布される。少なくとも１つの他のリピーターまたは源タイルの近隣にリピータータイルを追加することにより、前記指定領域を変更することができる。必要に応じてまたは室内構成の変化に起因して前記出力分配をユーザが変更できるよう、これらのタイルは可動かつ構成可能である。有線源またはエネルギーを必要とし得る少数のタイルを含むソース共振器を除いて、各タイルは完全に無線にすることができ、また、各タイルをユーザまたは消費者が構成または移動して、無線出力フローリングシステムを調節することができる。
【０２１２】
無線床システムの第２の実施形態は、源と、１つ以上の調節可能なリピーター共振器タイルとを含み得る。実施形態において、前記タイルのうちそれぞれまたは一部の内部の共振器は、制御回路を含み得る。前記制御回路は、前記共振器の動作パラメータの動的調節または定期的調節を可能にする。実施形態において、前記制御回路は、可変コンデンサの調節またはコンデンサバンクの変更により、前記共振器の共振周波数を変更することができる。
【０２１３】
複数の無線出力がイネーブルされたタイルのシステムにおいて出力転送の最大効率または出力転送の特定の分配を得るため、各共振器の動作点を調節する必要があり得、各共振器を異なる動作点へと調節することができる。例えば、いくつかの状況または用途において、タイルのアレイへの必要な出力分配を不均一にする必要があり得、より高い出力が前記アレイの一端において必要となり、より低い出力が前記アレイの他端において必要となる。例えば前記共振器の周波数を前記システムの共振周波数から若干離調するこｔで無線エネルギーを必要な場所に分配することにより、このような分配を得ることができる。
【０２１４】
例えば、図３０に示すタイルのアレイが３６個の調節可能なリピーター共振器タイルを単一のソース共振器３００６と共に含む場合を想定する。出力を必要とするデバイスが１つだけ床（例えば、ランプ３００８）上に配置された場合において、床タイルアレイのうち一部のみにエネルギーが必要な場合、各タイル上にエネルギーを分配するには不十分であり得る。実施形態において、個々のタイルのチューニングを用いて、前記アレイ内のエネルギー移動分配を変更することができる。単一のランプデバイス３００８の例において、ソース共振器３００６から前記タイルへの直接経路ではなくかつデバイス３０２２に近接するリピータータイルは、前記源の周波数から完全にまたは部分的に離調され得る。未利用のリピーターを離調することにより、床領域内の磁界の分配を変化させる、共振器と振動磁場との間の相互作用が低減する。調節可能なリピータータイルを用いることにより、第２のデバイスをタイルのアレイ内に配置することができ、あるいは、ランプデバイス３００８を現在位置３０２２から別のタイル（例えば、３０３０）へと移動させ、源３００６から新規位置３０３０への経路内のタイルをチューンすることにより、前記タイルの領域内の磁界分配を変更することができる。
【０２１５】
実施形態において、出力の分配の調整を支援するために、前記共振器のチューニングは、通信能力を含み得る。各共振器は、隣接タイルのうち１つ以上または前記タイルのうちいずれか１つと無線的に通信することができ、これにより、特定のデバイス配置構成のための適切な磁界分配を確立することができる。
【０２１６】
実施形態において、前記タイルによって被覆された領域上の所望の磁界分配を得るための個々の共振器の動作点のチューニングまたは調節を１つの源からまたは１つの「コマンドタイル」から集中的に行うことができる。このような構成におい、中央タイルは、各タイルの無線通信または帯域内通信を介して、出力要求と、各共振器および各タイルの状態とを収集することができ、前記システムの所望の出力分配または動作点のための各共振器の最適な動作点を計算することができる。さらなる無線通信チャンネルによってまたは出力転送に用いられる磁界の変調によって、前記情報を無線的に各個々のタイルへと通信することができる。通信システムにおいて用いられるプロトコルに類似するものを用いて、前記出力を分布させるかまたは測定することができる。例えば、保証出力を得ることが可能なデバイスがあり得、他のデバイスは、ベストエフォート出力を入手する。グリーディアルゴリズムに従ってまたはトークンシステムを用いて、出力を分布させることができる。情報ネットワークを共有するように適合された多数のプロトコルは、無線出力リソースを共有するように適合され得る。
【０２１７】
他の実施形態において、個々の共振器の動作点のチューニングまたは調節を非集中的に行うことができる。各タイルは、近隣のタイルの共振器の出力要求または状態に基づいて、その固有の共振器の動作点を調節することができる。
【０２１８】
集中的配置構成および非集中的配置構成双方において、任意の数のネットワークベースの集中および分布ルーティングプロトコルを用いることができる。例えば、各タイルをネットワークおよび最短経路、最速経路、冗長経路などの内部のノードとしてみなすことができ、アルゴリズムを用いて、１つ以上のデバイスへの出力送達を達成するための共振器の最適なチューニングを決定することができる。
【０２１９】
実施形態において、多様な集中的および非集中的ルーティングアルゴリズムを用いて、システムの共振器をチューンおよび離調して、損失性オブジェクトの周囲のリピーター共振器を介して出力を経路設定することができる。損失性材料を含むオブジェクトが前記タイルのうち一部に配置された場合において、前記タイルが源と宛先タイルとの間の経路内にある場合、前記タイルからの出力を引き出すかまたはエネルギー伝送を妨害する必要があり得る。実施形態において、前記リピータータイルを選択的に調節することで、前記タイル上にあり得る損失性オブジェクトをバイパスすることができる。ルーティングプロトコルを用いてリピーター共振器を調節して、出力を損失性オブジェクトの周囲に経路設定することができる。
【０２２０】
実施形態において、前記タイルは、センサーを含み得る。前記タイルは、センサーを含み得る。前記センサーは、前記タイル内に内蔵された共振器によって受信された磁気エネルギーからの無線的出力であり得、これにより、前記タイル上のオブジェクト、エネルギー受信デバイス、人３０３４などを検出することができる。前記タイルは、容量、誘導、温度、歪み、重量センサーなどを含み得る。前記センサーからの情報を用いて、デバイスへ出力を送達するための最適なまたは満足な磁界分配を計算またはけっていすることができ、適切な共振器を離調することができる。実施形態において、前記タイルは、金属オブジェクトを検出するセンサーを含み得る。実施形態において、前記共振器のパラメータを監視することにより、損失性オブジェクトの存在を検出することができる。損失性オブジェクトに起因して前記共振器のパラメータ（例えば、共振周波数、インダクタンス）に影響が発生し得、前記損失性オブジェクトを用いて、前記金属オブジェクトを検出することができる。
【０２２１】
実施形態において、無線出力フローリングシステムは、１つよりも多くの源およびソース共振器を持ち得る。前記１つよりも多くの源およびソース共振器は、前記タイルの一部であり、フローリング内の共振器へと接続された壁上または家具内に配置される。複数の源およびソース共振器を含む実施形態において、前記源の位置を用いて、前記フローリング内の出力分配を調節または変更することができる。例えば、部屋の一側部は、デバイスを持ち得る。前記デバイスは、より高出力を必要とし得、前記デバイスに近接するより多数の源を必要とし得る。実施形態において、各源の出力（磁界大きさ）、各源の位相（振動磁場の相対位相）などを調節することにより、複数のタイルを含む床における出力分配を調節することができる。
【０２２２】
実施形態において、前記共振器タイルは、１つよりも多くの源からのエネルギーをリピーター共振器を介してデバイスへと転送するように構成され得る。１つよりも多くのソース共振器からのエネルギーを１つよりも多くのデバイスまたはタイルへと経路設定するように、共振器をチューンまたは離調することができる。
【０２２３】
複数の源を含む実施形態において、異なる源および恐らくは前記異なる源を駆動する異なる増幅器を周波数かつ／または位相において同期させることが望ましい場合がある。若干異なる周波数および／または位相で動作する源は、（振動源間の打撃効果に起因して）動的に変化する振幅および空間分配と共に磁界を生成し得る。実施形態において、複数のソース共振器を有線または無線同期信号と同期させることができる。前記有線または無線同期信号は、源または外部制御ユニットによって生成され得る。いくつかの実施形態において、１つのソース共振器が、マスターソース共振器として設計され得る。前記マスターソース共振器は、他の共振器に対して周波数および位相を指令する。マスター共振器はノミナル周波数で動作し得、他のソース共振器は、前記マスター源によって生成された磁界の周波数および位相を検出し、その信号と前記マスターの信号とを同期させる。
【０２２４】
実施形態において、さらなるリピーター共振器を家具およびテーブルと一体化させることにより、前記床タイルからの無線出力をテーブル表面、棚、家具などに転送することができ、これにより、無線エネルギー移動範囲を床から垂直方向に拡張することが可能になる。例えば、無線出力がイネーブルされた床のいくつかの実施形態において、無線出力がイネーブルされたタイルから２または３フィートだけ上方にあるテーブル表面上に配置された電話または電子デバイスを直接充電するためには、タイルから送達される出力が不十分である場合がある。大型リピーター共振器をテーブル表面の近隣（例えば、前記テーブルの下側）に配置することにより、テーブル表面上の電子デバイスの小型共振器と、前記タイルの共振器との連結を向上させることができる。前記テーブルの比較的大型のリピーター共振器は、前記タイルの共振器と良好に連結され得、近接配置に起因して、前記テーブル表面上の前記電子デバイスの共振器間の良好な連結により、前記タイルの共振器と、前記テーブル上の前記デバイスの共振器との間の連結を向上させ、無線出力転送を向上させることが可能になる。
【０２２５】
当業者であれば、記載の異なる実施形態の特徴および能力を再配置または組み合わせることで、他の構成が得られることを認識する。システムは、任意の数の共振器種類ｋ、源、デバイスを含み得、床、天井、壁、机などの上において展開可能である。床タイルを用いて説明したシステムを例えば壁上に展開して、壁または天井上に無線出力を分配することができる。出力を受信しかつ多様な用途および構成を可能にするように、イネーブルされたデバイスが前記壁または天井中に取り付けられるかまたは配置される。このシステム技術は、テーブル面、表面、棚、本体、車両、機械、布、家具などの上に分配された複数の共振器に適用することができる。前記例示的実施形態においては、本開示の教示内容に基づいて異なる構成に配置することが可能なタイルまたは別個のリピーター共振器について説明してきたが、当業者であれば、別個の物理的タイルまたはシート上に複数のリピーターまたはソース共振器を取り付けるかまたは配置することができない場合があることを理解する。複数のリピーター共振器、源、デバイス、およびその関連付けられた出力および制御回路を、１つのタイル、シート、基板などに取り付け、印刷し、エッチングすることができる。例えば、図３１に示すように、リピーター共振器３１０４のアレイを、１つの単一のシート３１０２上に印刷するか、取り付けるかまたは埋設することができる。単一のシート３１０２は、上記したタイルとして同様に展開可能である。共振器のシートは、ソース共振器の近隣、ソース共振器の上またはソース共振器の下側に配置することができ、これにより、前記シートまたは前記シートの一部を通じた無線エネルギーの分配が可能となる。前記共振器シートは、構成可能なサイズにされたリピーター共振器として用いることができる。なぜならば、前記シートを異なる共振器間において（例えば図３１に示す線３１０６に沿って）切断またはトリムすることが可能であるからである。
【０２２６】
実施形態において、リピーター共振器のシートをデスクトップ環境において用いることができる。例えば、机または前記机の一部の上部に適合するようなサイズ、引き出しの内寸に適合なサイズにリピーター共振器のシートを切断することができる。ソース共振器をリピーター共振器のシートの上部の隣または前記リピーター共振器のシートの上に配置することができ、デバイス（例えば、コンピュータ、コンピュータ周辺要素、ポータブル電子要素、電話）を前記リピーターを介して充電または出力することができる。
【０２２７】
実施形態において、床タイルまたはカーペット中に埋設された共振器を用いて、放射による床暖房のためのエネルギーを得ることができる。各タイルの共振器を未整流ＡＣを介して高抵抗加熱要素へと直接接続することができ、局所的熱センサーを用いて、特定の床温度を維持する。各タイルは、前記熱要素中の数ワットの出力を放散させて、室内を加熱するかまたは前記タイルを特定の温度で維持することができる。
【０２２８】
本発明について、特定の好適な実施形態に関連して説明してきたが、当業者であれば、他の実施形態を理解する。このような他の実施形態は、本開示の範囲内にあることが意図される。本開示の範囲は、法律によって許容され得る最大範囲において解釈される。
【０２２９】
本明細書中に記載の全文書を、当該文書があたかも本明細書中に全て記載されているかのように、参考のため援用する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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