(57)【要約】本開示のさまざまな側面によれば、送信装置によって送信された電力を無線で受信するよう構成され、前記送信装置と関連付けまたは脱関連付けされるよう構成された受信アンテナの機能を含む方法および装置が開示される。
2013546291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置によって送信された電力を無線で受信するよう構成され、前記送信装置と関連付けまたは脱関連付けされるよう構成された受信アンテナを有する受信装置。
【請求項２】
電子的に制御可能なスイッチによって前記受信アンテナから接続または切断されるよう構成されている、前記受信アンテナに電気的に結合された負荷をさらに有する、請求項１記載の受信装置。
【請求項３】
電子的に制御可能なスイッチによって前記受信アンテナから接続または切断されるよう構成されている、前記受信アンテナに電気的に結合された回路要素をさらに有する、請求項１記載の受信装置。
【請求項４】
前記回路要素が、抵抗器、キャパシタ、インダクタ、種々の長さのアンテナ構造およびそれらの組み合わせからなる群から選択されている、請求項１記載の受信装置。
【請求項５】
前記送信装置によって送信される電力は、所定の時間刻みで前記受信アンテナにおいて受信される、請求項１記載の受信装置。
【請求項６】
前記受信アンテナに電気的に結合され、前記受信アンテナが、該受信アンテナが受信できる周波数または周波数範囲を変えることを許容するよう構成された周波数選択機構をさらに有する、請求項１記載の受信装置。
【請求項７】
前記周波数選択機構は、離散的なキャパシタのスイッチング可能なアレイ、前記受信アンテナに電気的に結合された一つまたは複数のインダクタ、前記受信アンテナのコイルの追加的なターンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択されている、請求項６記載の受信装置。
【請求項８】
多重化された配置で一つまたは複数の受信機に無線で電力を送信するよう構成された送信アンテナと；
前記送信アンテナに電気的に結合され、特定の周波数または周波数範囲において前記電力を送信するよう前記送信アンテナを駆動するよう構成された周波数発生器とを有する、
送信装置。
【請求項９】
前記多重化された配置は、時間多重、周波数多重または両方を含む、請求項８記載の送信装置。
【請求項１０】
前記周波数発生器は、電圧制御発振器およびキャパシタの一つまたは複数のスイッチング可能なアレイ、電圧制御発振器および一つまたは複数のバラクタ、位相ロック・ループ、直接デジタル・シンセサイザーおよびそれらの組み合わせからなる群から選択されている、請求項８記載の送信装置。
【請求項１１】
前記送信アンテナは、複数の周波数で同時に電力を送信するよう構成されている、請求項８記載の送信装置。
【請求項１２】
前記周波数発生器は、共通の参照発振器に電気的に結合された二つ以上の位相ロック・ループ、二つ以上の独立な電圧制御発振器およびそれらの組み合わせからなる群から選択されている、請求項１１記載の送信装置。
【請求項１３】
前記送信アンテナは、共通周波数で、複数の受信機に同時に電力を送達するよう構成されている、請求項８記載の送信装置。
【請求項１４】
多重化された配置において一つまたは複数の受信機に無線で電力を送信するよう構成された二つ以上の送信アンテナと；
前記二つ以上の送信アンテナに電気的に結合され、特定の周波数または周波数範囲において前記電力を送信するよう前記送信アンテナを駆動するよう構成された一つまたは複数の周波数発生器とを有する、
送信装置。
【請求項１５】
前記多重化された配置は時間多重、周波数多重および／または空間多重を含む、請求項１４記載の送信装置。
【請求項１６】
前記送信機に電気的に結合され、前記送信機を前記一つまたは複数の送信アンテナと関連付けまたは脱関連付けするよう構成された一つまたは複数のスイッチをさらに有する、請求項１４記載の送信装置。
【請求項１７】
二つ以上の送信アンテナのそれぞれは、異なる送信周波数または送信周波数範囲に同調されるよう構成されている、請求項１４記載の送信装置。
【請求項１８】
前記二つ以上の送信アンテナは前記二つ以上の受信機に時間的に同時に電力を送信するよう構成されている、請求項１７記載の送信装置。
【請求項１９】
前記二つ以上の送信アンテナに電気的に結合され、前記二つ以上の送信アンテナによって前記一つまたは複数の受信機に送達される電力レベルを制御するよう構成された電力コントローラをさらに有する、請求項１４記載の送信装置。
【請求項２０】
前記二つ以上の送信アンテナは、異なる送信周波数または送信周波数範囲に、独立に同調されるよう構成されている、請求項１３記載の送信装置。
【請求項２１】
無線電力システムの送信機から、特定の周波数において特定の時間期間にわたって、第一の低電力信号を送信する段階と；
前記第一の低電力信号に基づいて一つまたは複数の受信機が前記送信機に結合されているかどうかを判定する段階と；
前記一つまたは複数の受信装置が前記送信機に結合されていると判定される場合に、前記送信機から前記特定の周波数で第二の高電力信号を送信する段階とを含む、
方法。
【請求項２２】
前記送信機のアンテナにおいて第三の信号を測定する段階をさらに含む請求項２１記載の方法であって、
前記第三の測定される信号は：反射された電圧波振幅、該反射された電圧波振幅と前進電圧波振幅の比、反射された電力および該反射された電力と前進電力の比からなる群から選択されている、
方法。
【請求項２３】
前記特定の周波数は、単一の周波数または周波数の範囲を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記低電力信号は、前記一つまたは複数の受信装置に同時に送信される、請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記一つまた複数の受信機が相異なる、重なり合わない周波数範囲で動作している場合に、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機への前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の送信を制御することをさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
特定の周波数において特定の時間期間にわたって、第一の低電力信号を送信するよう構成された送信機と；
前記第一の低電力信号に基づいて一つまたは複数の受信機が前記送信機に結合されているかどうかを判定するよう構成されたコントローラとを有する装置であって、
前記送信機は、前記一つまたは複数の受信装置が前記送信機に結合されていると判定される場合に、前記特定の周波数で無線で第二の高電力信号を送信するよう構成されている、
装置。
【請求項２７】
前記コントローラは、前記送信機のアンテナにおける第三の信号を測定するよう構成されており、前記第三の測定される信号は：反射された電圧波振幅、該反射された電圧波振幅と前進電圧波振幅の比、反射された電力および該反射された電力と前進電力の比からなる群から選択されている、請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
前記特定の周波数は、単一の周波数または周波数の範囲を含む、請求項２６記載の装置。
【請求項２９】
前記低電力信号は、前記一つまたは複数の受信装置に同時に送信される、請求項２６記載の装置。
【請求項３０】
前記コントローラは、前記一つまた複数の受信機が相異なる、重なり合わない周波数範囲で動作している場合に、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機への前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の送信を制御するよう構成されている、請求項２６記載の装置。
【請求項３１】
前記コントローラは、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機のうちの第一の受信機への前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の送信を中断するよう構成されている、請求項２６記載の装置。
【請求項３２】
前記コントローラは、前記第一の受信機へは送信が中断されている間、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機のうちの第二の受信機に、前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方を送信するよう構成されている、請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
無線電力システムの送信機からの、特定の周波数における特定の時間期間にわたる、第一の低電力信号を、受信機において受信する段階と；
前記第一の低電力信号に基づいて前記受信機が前記送信機に結合されているかどうかを判定する段階と；
前記受信機が前記送信機に結合されていると判定される場合に、前記送信機からの前記特定の周波数における第二の高電力信号を、前記受信機において受信する段階とを含む、方法。
【請求項３４】
前記受信機が別の受信機の重なり合う周波数範囲で動作している場合に、前記受信機において前記送信機からの前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の受信を制御する段階をさらに含む、
請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は2010年4月6日に出願された係属中の米国出願第12/754,954号の一部継続出願であり、該米国出願第12/754,954号はいずれも2009年8月20日に出願された係属中の米国出願第12/544,974号および第12/544,956号の一部継続出願であり、これらは2008年8月20日に出願された米国仮出願第61/189,502号からの米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張する。上記の米国特許出願すべての開示はここに参照によってその全体において組み込まれる。
【０００２】
本開示は概括的に電力伝送の分野に、詳細には無線で電力を送信および受信するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、無線電力送信機によって送信される全電力は、たとえば規制による制限によって何らかの最大電力に制限される。単一の送信機から複数の受信機に電力を送達するには、一般に二つのアプローチがある。
【０００４】
第一のアプローチは、すべての受信機が全送信電力の一部を同時に受信するというものである。電力の同時送達には欠点がある。固定した動作条件では、同時にすべての受信機にとって効率を最適化することは難しく、システムの正味効率は低くなる。さらに、何らかの合意されたプロトコルに従って電力が複数の受信機の間で共有されることを保証するために、受信機側で複雑な制御回路が要求される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】"Specifications  of  the  Bluetooth  System:  Core"、Bluetooth  Special  Interest  Group、1999年7月、インターネットのブルートゥースの公式ウェブサイトで入手可能
【非特許文献２】"Specifications  of  the  Bluetooth  System:  Profiles"、Bluetooth  Special  Interest  Group、1999年7月、インターネットのブルートゥースの公式ウェブサイトで入手可能
【非特許文献３】"IEEE  Std  802.11  1999  Edition"、IEEE  Customer  Service  Center,  445  Hoes  Lane,  P.O.  Box  1331,  Piscataway,  N.J.  08855-1331
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術の課題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項記載の手段によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、自動同調無線電力転送システムの例示的なシステム図である。
【図１ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、図１ａの例示的なシステムの等価な回路図である。
【図１ｃ】本開示のさまざまな側面に基づく、TxループおよびTxコイル（左）ならびにRxコイルおよびRxループ（右）の実験的なセットアップの写真を示す図である。
【図２ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、周波数およびTx-Rx結合（k23）の関数としての|S21|のプロットを示す図である。
【図２ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、k23およびk12の関数としての|S21|のプロットを示す図である。
【図３ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、k23の最良当てはめ〔ベストフィット〕値についての、実験データ（黒点）を基本的伝達関数（点線）および完全伝達関数（実線）と比較する局所適合モデル（locally  fit  model）を示す図である。
【図３ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、いずれも周波数およびTx-Rx距離に対してプロットされた、実験的なS21の大きさデータ（黒点）および完全伝達関数から計算された解析的モデル（表面）を比較する局所適合モデル（locally  fit  model）を示す図である。
【図４ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、実験データ（黒丸）と比較されたモデル（実線）を示す図である。ここで、k23値は（データへの当てはめでなく）幾何構造から計算され、|S21|が距離に対してプロットされている。
【図４ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、共振ピーク位置が距離の関数としてプロットされた図４ａのモデルを示す図である。
【図４ｃ】本開示のさまざまな側面に基づく、共振ピークの大きさが距離の関数としてプロットされた図４ａのモデルを示す図である。
【図５】本開示のさまざまな側面に基づく、効率‐レンジトレードオフ：同調パラメータklcの関数としての|S21|Critical対kCriticalのトレードオフ曲線を示し、我々のシステムの動作点を指示した（klc＝0.135における大きな点）図である。
【図６ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、周波数同調がレンジ変化を補償する実験的実装を示す図である。
【図６ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、周波数同調が配向変化を補償する、図６ａの実験的実装を示す図である。
【図６ｃ】本開示のさまざまな側面に基づく、ラップトップ・コンピュータが無線で電力を受ける、図６ａの実験的実装を示す図である。
【図７】本開示のさまざまな側面に基づく、受信機（RxコイルおよびRxループ）の変化する配向を示す、図６ａの実験的実装の代表的な上面図である。
【図８】送信半径＝0.15mについての、レンジ（臨界結合距離）対受信半径のプロットを示す図である。
【図９】本開示のさまざまな側面に基づく、無線電力システムのための自動同調プロセスの例示的なフローチャートである。
【図１０】本開示のさまざまな側面に基づく、無線電力システムのためのもう一つの自動同調プロセスの例示的なフローチャートである。
【図１１】図１０の自動同調プロセスの信号流れ図の一般的な表現を示す図である。
【図１２】同時に低振幅周波数掃引を実行しながら高振幅信号を送信することを可能にする、アナログ復調方式の例示的な概略的表現を示す図である。
【図１３】デジタル信号プロセッサ（DSP:  digital  signal  processor）を使うデジタル復調方式の例示的なプロセスを示す図である。
【図１４Ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、送信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１４Ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、送信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１４Ｃ】本開示のさまざまな側面に基づく、送信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１４Ｄ】本開示のさまざまな側面に基づく、送信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１５Ａ】本開示のさまざまな側面に基づく、受信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１５Ｂ】本開示のさまざまな側面に基づく、受信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１５Ｃ】本開示のさまざまな側面に基づく、受信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１５Ｄ】本開示のさまざまな側面に基づく、受信機側同調のための例示的な制御機構を示す図である。
【図１６】単一の送信アンテナで複数の受信機装置に電力を供給するよう構成されている単一の送信機を有する送信システムの例を示す図である。
【図１７】単一の送信装置が、それぞれが一つまたは複数の受信装置に電力を供給する複数の送信アンテナを有することができる、例示的な送信システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の記述では、同様のコンポーネントは、異なる実施形態において示されているかどうかに関わりなく、同じ参照符号を与えてある。本開示の実施形態（単数または複数）を明瞭かつ簡潔な仕方で例解するため、図面は必ずしも縮尺通りではないことがあり、ある種の特徴がいくぶん概略的な形で示されることがある。ある実施形態に関して記述および／または図示される事項は、一つまたは複数の他の実施形態においておよび／または該他の実施形態の事項と組み合わせてもしくは該他の実施形態の事項の代わりに、同じ仕方または同様の仕方で使用されてもよい。
【００１０】
本開示のさまざまな実施形態によれば、受信装置であって、送信装置によって送信された電力を無線で受信するよう構成され、前記送信装置と関連付けされるまたは脱関連付けされる（dissociate）よう構成された受信アンテナを含む受信装置が開示される。
【００１１】
受信装置はさらに、電子的に制御可能なスイッチによって前記受信アンテナから接続または切断されるよう構成されている、前記受信アンテナに電気的に結合された負荷をさらに含むことができる。前記受信装置はさらに、電子的に制御可能なスイッチによって前記受信アンテナから接続または切断されるよう構成されている前記受信アンテナに電気的に結合された回路要素を含むことができる。前記電気的な結合は、直列および並列配置の両方を含むことができる。前記回路要素は抵抗器、キャパシタ、インダクタ、さまざまな長さのアンテナ構造またはそれらの組み合わせを含むことができる。電力は、送信装置によって送信されることができ、所定の時間刻みで受信アンテナにおいて受信されることができる。
【００１２】
受信装置はさらに、前記受信アンテナに電気的に結合され、前記受信アンテナが、該受信アンテナが受信できる周波数または周波数範囲を変えることを許容するよう構成された周波数選択機構を含むことができる。周波数選択機構は、離散的なキャパシタ、前記受信アンテナに電気的に結合された一つまたは複数のインダクタ、前記受信アンテナのコイルの追加的なターンまたはそれらの組み合わせの切り換え可能なアレイを含むことができる。
【００１３】
本開示のさまざまな実施形態によれば、送信装置であって、多重化された配置で一つまたは複数の受信機に無線で電力を送信するよう構成された送信アンテナと；前記送信アンテナに電気的に結合され、特定の周波数または周波数範囲において前記電力を送信するよう前記送信アンテナを駆動するよう構成された周波数発生器とを含むものが開示される。
【００１４】
送信装置において、多重化された配置は、時間多重、周波数多重または両方を含む。周波数発生器は、電圧制御発振器と、キャパシタ、電圧制御発振器および一つまたは複数のバラクタ、位相ロック・ループ、直接デジタル・シンセサイザー（direct  digital  synthesizer）またはそれらの組み合わせの一つまたは複数の切り換え可能なアレイとを含むことができる。送信アンテナは、複数の周波数で同時に電力を送信するよう構成されることができる。周波数発生器は、共通参照発振器に電気的に結合された二つ以上の位相ロック・ループ、二つ以上の独立な電圧制御発振器またはそれらの組み合わせを含むことができる。送信アンテナは、共通周波数で、複数の受信機に同時に電力を送達するよう構成されることができる。
【００１５】
本開示のさまざまな実施形態によれば、多重化された配置において一つまたは複数の受信機に無線で電力を送信するよう構成された二つ以上の送信アンテナと；前記二つ以上の送信アンテナに電気的に結合され、特定の周波数または周波数範囲において前記電力を送信するよう前記送信アンテナを駆動するよう構成された一つまたは複数の周波数発生器とを含む送信装置が開示される。
【００１６】
送信装置において、多重化された配置は時間多重、周波数多重および／または空間多重を含む。送信装置は、前記送信装置に電気的に結合され、前記送信装置を前記一つまたは複数の送信アンテナと関連付けするまたは脱関連付けするよう構成された一つまたは複数のスイッチを含むことができる。二つ以上の送信アンテナのそれぞれは、異なる送信周波数または送信周波数範囲に同調されるよう構成されることができる。前記二つ以上の送信アンテナは前記二つ以上の受信機に時間的に同時に電力を送信するよう構成されることができる。送信装置はさらに、前記二つ以上の送信アンテナに電気的に結合され、前記二つ以上の送信アンテナによって前記一つまたは複数の受信機に送達される電力レベルを制御するよう構成された電力コントローラを含むことができる。前記二つ以上の送信アンテナは、異なる送信周波数または送信周波数範囲に独立に同調されるよう構成されることができる。
【００１７】
本開示のさまざまな実施形態によれば、無線電力システムの送信機から、特定の周波数において特定の時間期間にわたって、第一の低電力信号を送信する段階と；前記第一の低電力信号に基づいて一つまたは複数の受信機が前記送信機に結合されているかどうかを判定する段階と；前記一つまたは複数の受信装置が前記送信機に結合されていると判定される場合に、前記送信機から前記特定の周波数で第二の高電力信号を送信する段階とを含む、方法が開示される。
【００１８】
本方法はさらに、前記送信機のアンテナにおいて第三の信号を測定する段階を含むことができる。前記第三の測定される信号は：反射された電圧波振幅、反射された電圧波振幅と前進（forward）電圧波振幅の比、反射された電力および反射された電力と前進電力の比からなる群から選択される。前記特定の周波数は、単一の周波数または周波数の範囲を含むことができる。前記低電力信号は、前記一つまたは複数の受信装置に同時に送信されることができる。本方法はさらに、前記一つまた複数の受信機が相異なる、重なり合わない周波数範囲で動作している場合に、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機への前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の送信を制御することを含むことができる。
【００１９】
本開示のさまざまな実施形態によれば、特定の周波数において特定の時間期間にわたって、第一の低電力信号を送信するよう構成された送信機と；前記第一の低電力信号に基づいて一つまたは複数の受信機が前記送信機に結合されているかどうかを判定するよう構成されたコントローラとを有する装置であって、前記送信機は、前記一つまたは複数の受信装置が前記送信機に結合されていると判定される場合に、前記特定の周波数で無線で第二の高電力信号を送信するよう構成されている、装置が開示される。
【００２０】
本装置において、前記コントローラは、前記送信機のアンテナにおける第三の信号を測定するよう構成されることができる。前記第三の測定される信号は：反射された電圧波振幅、反射された電圧波振幅と前進（forward）電圧波振幅の比、反射された電力および反射された電力と前進電力の比からなる群から選択される。前記特定の周波数は、単一の周波数または周波数の範囲を含む。前記低電力信号は、前記一つまたは複数の受信装置に同時に送信されることができる。さらに、前記コントローラは、前記一つまた複数の受信機が相異なる、重なり合わない周波数範囲で動作している場合に、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機への前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の送信を制御するよう構成されることができる。さらに、前記コントローラは、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機のうちの第一の受信機への前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の送信を中断するよう構成されることができる。前記コントローラはまた、前記第一の受信機へは送信が中断されている間、前記送信機から前記一つまたは複数の受信機のうちの第二の受信機に、前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方を送信するよう構成されることができる。
【００２１】
本開示のさまざまな実施形態によれば、無線電力システムの送信機からの、特定の周波数における特定の時間期間にわたる、第一の低電力信号を、受信機において受信する段階と；前記第一の低電力信号に基づいて前記受信機が前記送信機に結合されているかどうかを判定する段階と；前記受信機が前記送信機に結合されていると判定される場合に、前記送信機からの前記特定の周波数における第二の高電力信号を、前記受信機において受信する段階とを含む、方法が開示される。
【００２２】
本方法は、前記受信機が別の受信機の重なり合う周波数範囲で動作している場合に、前記受信機において前記送信機からの前記第一の低電力信号、前記第二の高電力信号または両方の受信を制御する段階を含むことができる。
【００２３】
これらおよびその他の機能および特徴ならびに関係する構造要素の動作方法および機能ならびに諸部分の組み合わせおよび製造の経済性は、付属の図面を参照しつつ以下の記述および付属の請求項を考慮すれば一層明白になるであろう。それらはみな本明細書の一部をなす。同様の参照符号はさまざまな図面において対応する部分を指示する。しかしながら、図面は単に例解および説明のためであり、請求項の外縁の定義としては意図されていないことははっきりと理解しておくものとする。明細書および請求項で使われるところの単数形の表現は、文脈からそうでないことが指定されるのでない限り、複数の被指示物を含む。
【００２４】
ここで本開示のさまざまな側面に目を転じると、結合された共振器のモデルが、受動回路素子を使って開示される。結合モード理論に基づく従来の解析は、本稿で開示される、高周波数（HF帯）において実験室で測定可能なインダクタンス（L）、キャパシタンス（C）および抵抗（R）のような量を用いる実際的なシステムに適用するのは難しい。開示されるモデルは、効率的な電力転送を維持するためには、送信から受信への（「Tx-Rx」）レンジおよび配向の変動を補償するよう、システム・パラメータが同調されねばならないことを示す。
【００２５】
図１ａは、本開示のさまざまな側面に基づく、自動同調無線電力転送システムの例示的なシステム図を示している。図１ｂは、図１ａの例示的なシステムについての四つの結合された共振回路を含む等価な回路図を示している。図１ｃは、TxループおよびTxコイル（左）ならびにRxコイルおよびRxループ（右）を含む無線電力転送装置の実験的なセットアップの写真を示している。
【００２６】
図１ａに目を転じると、本開示の一つの側面が示されている。送信機１０５が受信機２００に無線で電力を供給するよう構成されている。送信機１００は、送信機共振器または送信機の共振器１０５をコイル（Txコイル）としてもつよう示されている。同様に、受信機２００は、受信機共振器または受信機の共振器２０５をコイル（Rxコイル）としてもつよう示されている。いくつかの側面では、送信機共振器（Txコイル）および／または受信機共振器（Rxコイル）は実質的に二次元構造である。送信機共振器（Txコイル）は送信機インピーダンス整合構造１１０に結合されている。同様に、受信機共振器（Rxコイル）は受信機インピーダンス整合構造２１０に結合されている。図１ａに示されるように、送信機インピーダンス整合構造１１０はループ（Txループ）であり、受信機インピーダンス整合構造２１０はループ（Rxループ）である。トランスおよび／またはインピーダンス整合ネットワークを含む他のインピーダンス整合構造が、送信機１００、受信機２００または両方について使用されてもよい。インピーダンス整合ネットワークは、信号源を共振器構造に接続するよう構成されたインダクタおよびキャパシタを含んでいてもよい。
【００２７】
送信機１００は、コントローラ１１５、方向性カプラ１２０ならびに信号発生器および電波周波数（RF:  radio  frequency）増幅器１２５を含む。これらは、駆動ループ（Txループ）に制御電力を供給するよう構成される。駆動ループまたはTxループのような、送信機１００のインピーダンス整合構造１１０は、有限の出力インピーダンスRsourceをもつ源（図１ａには示さず）によって励起されるよう構成される。信号発生器１２５出力は、増幅され、Txループに入力される。電力は、TxループからTxコイル、Rxループ、Rxコイルへと磁気的に転送され、オーム接続によって負荷２１５に送達される。
【００２８】
システムが、Tx-Rx距離の変化のために誤同調となると、送信機側で反射が生じることがある。方向性カプラ１２０は反射された電力を前進電力から分離し、これらの量が別個に測定できるようにする。コントローラ１１５は、反射電力対前進電力の比を最小化するよう送信周波数を調整し、それによりシステムを新たな作動距離のために同調し直す。
【００２９】
図１ｂに目を転じると、単純な一ターン駆動ループ（Txループ）が、寄生抵抗Rp1をもつインダクタL1としてモデル化できる。要素iについて、分散インダクタンスはLiとラベル付けされ、分散キャパシタンスはCiであり、寄生抵抗はRpiである。インダクタiをインダクタjにリンクする相互インダクタンスについての結合係数はkijとラベル付けされる。駆動ループ（Txループ）を関心のある周波数で共振させるために、キャパシタが追加されてもよく、ループについての正味キャパシタンスをC1にする。駆動ループ（Txループ）は源（Vsource）によって電力を与えられる。送信コイル（Txコイル）は、寄生抵抗Rp2をもつ複数巻き〔ターン〕空心螺旋インダクタL2であってもよい。送信コイル（Txコイル）のキャパシタンスC2は、その幾何構造によって定義される。インダクタL1およびL2は結合係数k12で接続される。ここで、kij＝Mij/√(LiLj)はインダクタiおよびjをリンクする結合係数であり、Mijはiとjの間の相互インダクタンスである。0≦kij≦1であることを注意しておく。結合係数k12は、駆動ループ（Txループ）および送信コイル（Txコイル）の幾何構造によって決定される。受信機装置は、送信機装置と同様に定義される：L3は受信器コイル（Rxコイル）のインダクタンスであり、L4は負荷ループ（Rxループ）のインダクタンスである。送信器コイル（Txコイル）および受信器コイル（Rxコイル）は結合係数k23によってリンクされる。これはあるいは送信機から受信機への結合と呼ばれ、Tx-Rxレンジと相対配向の両方に依存する。駆動ループ（Txループ）および負荷ループ（Rxループ）は、源および負荷を高Q共振器（TxコイルおよびRxコイル）にインピーダンス整合させるよう構成されていてもよい。
【００３０】
上記で論じたように、源および負荷ループ（TxループおよびRxループ）は、他のインピーダンス整合コンポーネントによって置き換えられてもよい。Txループ（または等価なコンポーネント）およびTxコイルはいずれも、同じ装置に埋め込まれていてもよい（RxコイルとRxループまたは等価なコンポーネントについても同様）。このように、結合定数k12およびk34は、原理的には、使用条件によって決定される制御されない環境変数である結合定数k23とは異なり、制御されることができる変数である。
【００３１】
制御されない環境パラメータは、送信機共振器（Txコイル）と受信機共振器（Rxコイル）の間のレンジ、送信機共振器（Txコイル）と受信機共振器（Rxコイル）の間の相対配向および受信機共振器（Rxコイル）上の可変負荷のようなパラメータを含んでいてもよい。限定しない例として、可変負荷は、ラップトップ・コンピュータの電源投入、電源切断またはスタンバイもしくはハイバーネーション・モードにはいるなどの、電力状態の変動を経験する装置であることができる。他の例は、減光またはフル輝度といったさまざまな照明状態をもつ電球を含みうる。
【００３２】
結合定数k12およびk34のようなシステム・パラメータは、原理的には、制御されることができ、環境パラメータの変化を補償するために調整できる変数である。他のそのようなシステム・パラメータは、電力が伝送される周波数、送信機共振器のインピーダンスおよび受信機共振器のインピーダンスを含みうる。
【００３３】
図１ｂの各部分回路についてキルヒホッフの電圧則（KVL:  Kirchhoff's  voltage  law）を書き出すと、それぞれにおける電流が決定できる。
【００３４】
【数１】
2013546291.tif 000003
負荷抵抗器の両端の電圧についてこれら四つのKVL方程式を連立させて解くと、結合された共振器のこのシステムについての伝達関数を与える。
【００３５】
【数２】
2013546291.tif 000004
ここでVLoadは負荷抵抗器の両端の電圧であり、
【００３６】
【数３】
2013546291.tif 000005
である。
【００３７】
この解析的な伝達関数は、その予測をSPICE（Simulation  Program  with  Integrated  Circuit  Emphasis［集積回路を主眼とするシミュレーション・プログラム］）シミュレーションと比較することによって検証された。知られているように、SPICEは、集積回路（IC）および基板レベルの設計において使用される、回路設計の健全性を検査するとともに回路挙動を予測するための汎用アナログ電子回路シミュレータである。式(1)から、散乱パラメータS21を計算することができ、次のようになることが示せる。
【００３８】
【数４】
2013546291.tif 000006
これは、ベクトル・ネットワーク解析器を用いて測定できるので、実験的に重要となりうる。ベクトル・ネットワーク解析器は、知られているように、電気ネットワークの属性、特に散乱パラメータ（Sパラメータ）として知られる電気信号の反射および透過に関連する属性を解析するために使用される機器である。無線電力転送装置全体は、二ポートのネットワークと見ることができる（一つのポートが源から供給を受ける入力であり、他方が負荷に供給を与える出力）。二ポート・ネットワークでは、S21は、出力ポートにおける信号と入力ポートにおける信号との比の大きさおよび位相を表す複素量である。電力転送効率の本質的な指標である電力利得は、S21の絶対値の二乗|S21|2によって与えられる。下記で述べるように、実験結果および理論的な結果は|S21|を使って呈示される。
【００３９】
図２ａでは、下記の表Ｓ１に示されるような現実的なパラメータのセットについて、|S21|をTx-Rx結合定数k23および駆動角周波数ωの関数としてプロットしている。このプロットにおいて、k12およびk34は一定に保持されるが、これは典型的には固定アンテナ設計について成り立つ。この基本的伝達関数は、駆動ループ（Txループ）から直接、受信機コイル（Rxコイル）への寄生結合、すなわちk13結合のような、寄生結合を無視する。寄生効果を含むより完全なモデルはのちに論じる。しかしながら、この基本的モデルは本質的な挙動を捉えており、将来のシステムは寄生結合が低下していることがありうるので、長期的には有用である可能性が高い。
【００４０】
図２ａは、システム効率の周波数およびk23への依存性を示している。k23軸上では、より小さな値はより大きなTx-Rx距離に対応する。送信機コイル（Txコイル）と受信機コイル（Rxコイル）の間の相互インダクタンスは距離とともに減少するからである。送信機コイル（Txコイル）に関して受信機コイル（Rxコイル）の角度を変えれば、K23も変わることがある。たとえば、軸線上の（on-axis）受信機コイル（Rxコイル）を送信機コイル（Txコイル）に平行から垂直に回転させることは、その相互インダクタンスを、よってk23を減少させることになる。受信機コイル（Rxコイル）を送信軸に垂直な方向において動かしても、典型的にはk23は変わる。
【００４１】
図２ａは、k23の異なる値に対応する三つの領域に分割された前記プロットを示している。図２ａにおいてV型の隆起を囲む点線として表される過剰結合領域では、k23＞kCriticalである。（定数kCriticalの値は、図においてプロットされている表面の特徴に関して以下で定義する。）この体積の境界となる平面である臨界結合領域では、k23＝kCriticalである。点線によって輪郭付けられるこの体積を超えた不足結合領域では、k23＜kCriticalである。
【００４２】
電力伝送の高効率は、V型の隆起の頂部で起こる。V状の形は、共振分裂に起因する：過剰結合領域では（すなわちk23＞kCriticalの任意の選択については）、最大電力転送効率が起こる二つの周波数がある。これらはシステムの二つの正規モードに対応する。共振器（送信機コイル（Txコイル）と受信機コイル（Rxコイル））の結合がより強くなると、周波数分裂も大きくなる；二つの正規モード周波数の間の差はk23とともに増大する。k23が減少するにつれ、それらのモードは周波数において近づいて、最終的にはマージする。それらがマージするk23の値（V型の隆起上の「I」によって示される点）が臨界結合点kCriticalであると定義される。これらのモードがマージする周波数は、単一の共振器自然周波数ω＝ω0である（両方のコイルが同じω0をもつとして）。モード振幅が、過剰結合領域および臨界結合領域を通じてほぼ一定であり、高い効率を許容することを注意しておく。k23がkCriticalを下回ると、単一モード振幅は減少し、達成可能な最大システム効率を低下させる。
【００４３】
過剰結合領域を通じたほぼ一定のモード振幅のため、動作点を隆起の頂部に保つようシステム送信周波数が調整できるのであれば、k23が変わる際に（k23＞kCriticalである限り）システム効率はほぼ一定に保つことができる。換言すれば、Tx-Rx距離（よってk23）が受信機の動きのために変化する際、システムは、動作点を隆起の頂部に保つよう前記周波数を調整することによって、最大効率を得るよう同調し直すことができる。
【００４４】
下記で開示されるように、送信電力を最大化させるために自動的に送信機共振器（Txコイル）を同調させることは、上記結果に基づいて達成できる。同調がk23の変化を補償するため、同じ技法が、配向の変化およびレンジを変えない並進を含めk23を（十分小さな量だけ）変化させるいかなる幾何学的な変動をも補償することができる。
【００４５】
正しく機能する制御システムは、システム効率が、臨界レンジまでの任意のレンジについてはほぼレンジに独立であることを許容しうる。電力転送効率が（たとえ限られた機能領域内であったとしても）ほぼレンジに独立となりうるということは直観に反するかもしれない。遠距離場伝搬によって送達される電力はレンジrに対して1/r2の依存性をもち、伝統的な非適応的な誘導性方式は1/r3の下がり方をするのである。よって、それに沿っては効率がほぼ一定となる効率隆起の頂部は、無線電力転送のための「マジック領域」と称される。マジック領域がまたがるk23の値はkCritical≦k23≦1によって与えられる。よって、kCriticalが小さいほどマジック領域がまたがる空間的な広がりが大きくなり、システムの有効機能範囲が大きくなる。
【００４６】
図２ｂでは、k12（および簡単のためk12に等しいものと制約されるk34）が変えられるとき、周波数は一定に保たれる。k23の変化によって引き起こされる脱同調を補償するためにk12を適応させることは、変化するレンジおよび配向に対する適応のもう一つの方法である。
【００４７】
伝達関数（式(1)）のさらなる解析は、回路パラメータの、無線電力システムのパフォーマンスに対する効果についての洞察を与える。上記で説明したように、有効動作範囲はkCriticalの値によって決定される。kCriticalが小さいほど、マジック領域の空間的広がりは大きい。
【００４８】
よって、システム・レンジを理解するために、設計パラメータに関して、kCriticalについて解くことが有用であろう。まず、伝達関数は、次のQ因子についての式を代用することによって明確にできる。
【００４９】
【数５】
2013546291.tif 000007
は要素iの、結合していない共振周波数である。
【００５０】
簡単のため、TxコイルとRxコイルのQ因子が等しくQCoil＝Q2＝Q3であり、TxループとRxループのQ因子が等しくQLoop＝Q1＝Q4である対称的なシステムを考える。対称的なループとコイルの結合k12＝k34はklcと記される。また、RSource＝RLoad、Rp1＜RSource、Rp4＜RLoadであるとし、結合されていない共振周波数は等しく、すべてのiについてω0i＝ω0であるとする。臨界結合値についての表式を見出すために、システムが周波数ω＝ω0で駆動されるときの伝達関数を考える。これは、10MHzの中心周波数に沿った図２ａの2Dスライスに対応し、その頂点がシステムの臨界結合点である。上記のQによるωの表式を使うと、伝達関数のこのスライスは次のように書ける。
【００５１】
【数６】
2013546291.tif 000008
kCriticalについての表式を導出するために、k23について微分することによって式(3)の最大が見出される。すると、kCriticalは図２ａのk23軸上で、（kおよびQの正の値について）この微分をゼロとする点である。
【００５２】
【数７】
2013546291.tif 000009
最後に、kCriticalが式(3)におけるk23に代入され、臨界結合点における電圧利得が見出される：
【００５３】
【数８】
2013546291.tif 000010
式(2)を使い、Rload＝Rsourceとすると、この電圧利得は|S21|に変換されることができる。これは、GCriticalと略記するのが便利であろう。
【００５４】
【数９】
2013546291.tif 000011
この式は、マジック領域の隆起上での最遠点におけるシステムの効率を定量的に表す。レンジを最大にするためにはkCriticalを最小化しなければならないことを想起されたい。そうすれば、kCriticalから1.0にまたがるマジック領域の広がりが増すからである。式(4)を調べると、klcを小さくすると、kCriticalが低下し、よってレンジが増大する。しかしながら、式(5)によれば、klcを小さくすることは、効率をも低下させる。実際、klcの選択は、マジック領域における効率レベル（マジック領域の隆起の高さ）とマジック領域の広がり（マジック領域の空間的広がり、すなわち最大レンジ）とのトレードオフを行う。図５は、|S21|CriticalとkCriticalのこのトレードオフの曲線のプロットを、共通パラメータklcの関数として示している。
【００５５】
このトレードオフ曲線の下の面積は、システム・パフォーマンスのための有用な性能指数（FOM:  figure  of  merit）のはたらきをする。
【００５６】
【数１０】
2013546291.tif 000012
無限大のレンジ（0結合）で損失なしに電力を送達できる最適な無線電力システムのFOMは1となる。対称的な場合（送信側と受信側の対応するパラメータが等しい）については、FOM積分は解析的に評価できる。QCoil＞1とすると、トレードオフ曲線の下の面積は次のようになる。
【００５７】
【数１１】
2013546291.tif 000013
FOMはQCoilのみに依存することになり、QLoopとは独立である。共振器（コイル）のQ因子がこのシステム性能指標を完全に決定し、該指標はQCoilが無限大の極限では1に近づく。下記でさらに論じる、実験的なシステムについての測定されたQCoil値は約300および400であり、FOM＝0.978およびFOM＝0.982に対応する（各QCoil値を対称的なFOM公式に代入）。
【００５８】
QLoopの実現可能な値を選択することが、次の重要な設計上の問題である。ガイドラインを導き出すために、レンジ‐効率のトレードオフ曲線の「折れ曲がり」の表式が見出される。この「折れ曲がり」は、傾きdGCritical/dkCriticalが１に等しくなる点と定義する。これが起こるkCriticalの値は次のようになる。
【００５９】
【数１２】
2013546291.tif 000014
QLoopが小さすぎると、klcをその最大値1.0に設定しても、kCriticalはkCriticalKneeに達することができない。最小限必要なQLoopの値を見出すために、kCritical＝kCriticalKneeかつklc＝1として、式(4)をQLoopについて解くことができる。その結果は、大きなQCoilについて、次のようになる。
【００６０】
【数１３】
2013546291.tif 000015
特に、QLoop＞QCoil-1/2である限り、トレードオフ曲線上の良好な動作点が達成可能であるはずである。QCoil＝300については、この条件はQLoop＞0.06となる。
【００６１】
結論として、QLoopの最小閾値を超えている限り、QCoilは（我々のFOMによって測定されるところの）システム・パフォーマンスを決定する。QLoopの実際の値は源および負荷のインピーダンスによって支配される。QCoilが大きいほど、要求される最小のQLoopは小さい。逆に、（現在の閾値より低いQLoopをもつ）より過酷な負荷への移行は、QCoilを十分に増大させることによって達成できる。
【００６２】
ここで図１ｃに目を転じると、図１ｃは上記モデルの実験的な検証を示している。図１ｃは、理論モデルを検証するためおよび自動レンジおよび配向同調を実装するために使われた送信機コイル（Txコイル）および受信機コイル（Rxコイル）を示している。左側の送信機は、平坦な螺旋送信共振器（Txコイル）内を中心とする小さな駆動ループ（Txループ）を含む；受信側のループ（Rxループ）およびコイル（Rxコイル）は右側に見えている。システムは、下記の表S1およびS2に示される回路値に加えて、ベクトル・ネットワーク解析器を用いて特徴付けされた。第一の群の測定値はS11測定値からなり；S11散乱パラメータは入力ポートにおける複素反射電圧の複素透過電圧に対する比である。反射電力と透過電力の比は|S11|2によって与えられる。L、CおよびR値は、これらのパラメータをもつモデルをS11データに当てはめることによって、各ループについて抽出された。第二の群の測定値はTxコイルに結合されたTxループのS11測定値および受信機側の対応する測定値からなる。やはりモデルを両群の測定からのデータを当てはめることによって、コイル共振周波数f0およびQならびにループ‐コイル結合係数k12およびk34について値が抽出された。これらの測定からコイルについてのL、CおよびR値を抽出することはありそうもない。二つ以上のパラメータ・セットが上記データと整合するからである。よって、コイルの幾何構造に基づいてコイルについてのインダクタンス値が数値的に計算された。これで、Qおよびf値が与えられれば、CおよびR値が計算されることができる。
【００６３】
距離に依存する結合係数はk23（主たるコイルとコイルの結合定数）ならびに寄生結合項k13、k24およびk14である。これらを測定するために、ベクトルS21データ（|S21|だけでなく）が、完全な４要素システムについて、多様なTx-Rxレンジにおいて収集された。次いで、各距離において、結合係数を抽出するために、非線形当てはめが実行された。結合係数を見出すための代替的な方法として、幾何構造から直接的に結合係数を計算するためにノイマンの公式が使われた。
【００６４】
表S1は、基本的モデルを評価するために使われた回路値を示す。
【００６５】
【表１】
2013546291.tif 000016
kCriticalについての表式（式(4)）が、臨界結合を達成するために必要とされるk23の値を指定していることを注意しておく。必要とされる結合がQのあらゆる選択について達成可能とは限らない。k23≦1に対応する値しか実現可能でないからである。式(4)のすべての量は正なので、実現可能なkCriticalが存在するためには、1/QCoil≦1およびklc2QLoop≦1であることが明らかに必要である（十分ではないが）。実現可能なkCriticalが存在しない場合、システムがマジック領域の完全な効率を達成できるようにする同調はない；たとえシステムが最大結合されてk23＝1だったとしても、システムは最適でない不足結合領域において動作することになる。実際上は、klc＝1を達成することが可能でないことがあることを注意しておく。その場合、QLoopのより大きな最小値が必要となる。また、QLoopの最小値がkCriticalKneeの値に数値的にそれほど近くなっているのは、単なる偶然である。両者は論理的に異なるものだからである。
【００６６】
パラメトリック曲線GCritical対kCritical（いずれもklcによってパラメータ化される）の積分を評価するために、式(4)において、積分上限kCritical＝1.0に対応するパラメータklcの値klcMaxが求められ、次が見出される。
【００６７】
【数１４】
2013546291.tif 000017
正しい積分下限はklc＝0である。よって、次のようになる。
【００６８】
【数１５】
2013546291.tif 000018
電力とレンジのトレードオフは、受信機が送信機から遠ざかるにつれて送達可能な電力が低下することを示すわけではないことを注意しておく。これは、マジック領域内で送達される電力の値（平坦部の高さ）に対してマジック領域の広がり（マジック領域平坦部の幅）をトレードオフすることを示す。
【００６９】
上記モデルは、システムを約7.65MHzに同調させるために使われる直列接続された可変キャパシタとともに、直径28cmの駆動ループを使った実験的検証であった。RF増幅器が図１ａに記載されるようなシステムを駆動できるよう、サブミニチュア・バージョンA（SMA:  SubMiniature  version  A）コネクタも直列に配置された。大きな送信機コイルは59cmの外径で始まり、約6.1ターンにわたって1cmのピッチで内側に渦巻きをなした。コイルの自己キャパシタンスを正確に予測するのは難しかったので、〜7.65MHzで共振するようになるまで渦巻きの端を手動でトリミングすることによって共振周波数を同調させた。受信機は同様に構築されたが、軽微な幾何学的な相違のため、Rxコイルは〜7.65MHzに同調されられたのちにはほぼ6.125ターンを有することになった。すべての要素は、プレキシガラス電機子によって支持される直径2.54mmの銅線で作成された。
【００７０】
上記の実験セットアップの第一群の測定は、コイルなしでの、Txループ（表S2において測定1Tと記される）およびRxループ（測定1R）のS11測定（ここで、S11は入力ポートにおける反射電圧の透過電圧に対する比）を含んでいた。これらから、L、CおよびRの値が、最小二乗当てはめによって、それらのループについて抽出された。第二の群の測定はTxコイル（測定2T）に結合されたTxループのS11測定および2Rと記される対応する受信機側の測定であった。第二の群の測定からのデータおよび以前に抽出されたループ・パラメータを使って、コイル共振周波数f0およびQならびにループ‐コイル結合係数k12およびk34について値が抽出された。これらの測定からL、CおよびR値を抽出することは可能ではなかった。よって、コイルの幾何構造に基づいてコイルについてのインダクタンス値が数値的に計算された。これで、CおよびR値が計算できるようにった。
【００７１】
下記に表S2を示す。
【００７２】
【表２】
2013546291.tif 000019
上記の実験セットアップは、システムが、レンジ独立な最大電力転送のために、適応的な周波数同調を実行できることを示した。上記の実験セットアップでは下の周波数モードのほうが高い振幅を有していた（部分的には寄生信号の符号のため）。よって、分裂が起こるときは、この下モードが自動的に選択された。これから、周波数同調の恩恵はショート・レンジでは明白である。非適応的な場合について選ばれた周波数（7.65MHz）がロング・レンジ状況についても適切だったからである。しかしながら、固定の場合について異なる周波数が選ばれていたら、かかる恩恵は、より短いレンジではなくより長いレンジにおいて明白となったことがありうる。
【００７３】
レンジの増大と角度ミスマッチの増大はいずれもk23を減少させ、レンジと配向のミスマッチは一緒になってk23をさらに減少させることを注意しておく。よって、受信機がもっと遠かったとしたら、配向適応はそのような広い角度範囲にわたっては成功しなかったであろう。下記でさらに論じる、受信機角度の極端な値については、システムが過剰結合領域でなくなるだけ結合k23が十分に降下し、よって分裂はなく、結合定数による最適システム周波数の変化はない。よって、固定したパフォーマンスと自動同調パフォーマンスは一致する。
【００７４】
図３ａは、実験的に測定された|S21|データを式(1)の単純なモデルおよび寄生結合を含むより完全なモデルと比較している。この図は、k23の最良の当てはめ値について、実験データ（点）の基本的伝達関数（点線）および完全な伝達関数（実線）との比較を示している。基本的モデルは寄生結合を無視し、上（upper）モードと下（lower）モードの間の振幅差を再現しない。完全なモデルはこの振幅差を再現する。このことは、二つの共振モードについての非寄生項（たとえばk23）に対する寄生（たとえばk13）結合項の位相によって説明される。完全なモデルと実験データとの間の一致は優れている。上モードおよび下モードについての|S21|ピークの大きさの差（図３ａでは、実験データおよび完全なモデルでは見えるが、基本的モデルには存在しない）は、両モードの位相を考えることによって説明できる。
【００７５】
結合された共振器のダイナミクスに基づいて、低周波数モードでは、送信機コイルにおける電流は、受信機コイルにおける電流とほぼ同相であると期待され、高周波数モードでは、両コイル電流はほぼ逆相（位相が180度ずれている）であると期待される。
【００７６】
TxコイルとRxコイルが同相の下モードでは、駆動ループからRxコイルへの寄生フィードスルー（結合定数k13に関連）は、受信コイルにおける電流の大きさに建設的に寄与する。上モードでは、Rxコイル位相は反転しているが、寄生フィードスルーは反転していないので、フィードスルーはRxコイル電流に減殺的に干渉する。同様の議論は他の寄生結合にも当てはまる。寄生結合が含められるときにのみモード大きさの差がよくモデル化されるという事実（図３ａに示されるような）は、この結論を支持している。
【００７７】
上記で開示したように、離散的整合ネットワークまたはシールドされたトランスのような他のインピーダンス整合コンポーネントが、源／負荷をそれらのコイルに接続するために使用されて、誘導結合されたループをなくしてもよい。これは、相互結合項をなくし、モデルを単純化することになり、また可能性としてはシステム構成をも単純化する。他方、寄生フィードスルーは下モードにおいてシステム・パフォーマンスを利するが、この利点は該ループをなくすことによって失われることになる。
【００７８】
図３ｂは、各距離について別個に抽出された結合係数を使って、実験データおよび理論モデルを示している。実験によるS21大きさデータ（点）および完全な伝達関数から計算された解析モデル（面）はいずれも、周波数およびTx-Rx距離に対してプロットされている。解析表面における各距離のスライスは独立して適合する値k23についてであることを注意しておく。上記で論じたように、破線の箱は過剰結合領域を囲んでいる。実験的な測定の間（すなわち、等値線と等値線の間）の距離については、k23の値は、隣接するk23の値から線形に補間された。幾何構造から直接的に計算されたk23を使った結果は、下記で論じる図４ａ、図４ｂおよび図４ｃに呈示される。
【００７９】
図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、モデル中の計算された結合係数のみを使って、実験データをモデルと比較している。実験データ（白丸）は、幾何構造から計算された（データに当てはめされたのでない）k23の値を用いて、モデル（実線）と比較された。図４ａは、距離に対して|S21|を示している。予測された最大結合点は中実点としてプロットされている。図４ｂは、共振ピーク位置を距離の関数として示している。周波数分裂が臨界距離より下に見える。このプロットは、図３ｂの隆起線を上から見たものと考えることができる。図４ｃは、共振ピークの大きさを距離の関数として示している。このプロットは、図３ｂの隆起線を横から見たものと考えることができる。単純なモデルでは、これら二つの分枝は同じ大きさをもつであろう。寄生結合がそれらのモードの間の大きさの差を説明する。
【００８０】
図４ａ、図４ｂおよび図４ｃでは、静的なシステム・パラメータだけが測定され、動的な（距離に依存する）パラメータは計算された。一致は概して良好であるが、近接レンジでは、数値計算の精度は低下している。これは、モデル化されなかった容量性結合の効果が近接レンジではより有意になるためであることがありうる。
【００８１】
レンジ独立な最大電力転送のために、適応的な周波数同調が実装されてもよい。システムが誤同調されていると、たとえば非最適な周波数が選ばれていると、インピーダンス不整合のため送信機側で反射が起こる。システムが最適に同調されているときは、反射電力対送信電力の比が最小になる。よって、送信機がS11を測定し、その周波数を調整することができれば、S11を最小化する（すなわち、反射信号を最小化し、透過信号を最大化する）ことによって、特定のレンジまたは受信機配向について最適な周波数を選ぶことができる。図６ａおよび図６ｂは、非適応的（固定周波数）システムからの電力転送効率についての実験データを、作動周波数自動同調システムからの効率データとの比較で、示している。
【００８２】
各距離について、システムは送信周波数を6MHzから8MHzまで掃引し、次いで効率を最大化するために最小の|S11|をもつ周波数を選んだ。各距離についての最適周波数において、電力計に送達された電力が測定された。同調された値の範囲は6.67MHzないし7.66MHzであった。受信機配向適応についての類似の結果が図６ｂに示されている。システム効率は受信機配向約70度にわたってほぼ一定である。70から90度の範囲でのみ、電力転送効率は0に向かって低下する。図６ａおよび図６ｂに示したいずれの場合にも、選ばれた固定周波数は単一のコイル共振周波数（すなわち、不足結合システム周波数）であった。よって、システムが過剰結合領域を出る際には、自動同調された周波数は固定周波数に一致し、よって両効率も一致する。
【００８３】
図７は、本開示のさまざまな側面に基づく、受信機（RxコイルおよびRxループ）の変化する配向を示す、図６ａの実験的実装の代表的な上面図である。図７の上の図に見られるように、RxコイルおよびRxループは、中心線に沿ってTxループおよびTxコイルと配向において整列されている。図７の下の図は、中心線に関して角度θだけ回転されたRxコイルおよびRxループを示している。RxコイルおよびRxループが上の図のように配列されたとき、θ＝0°である。RxコイルおよびRxループが中心線に平行に配列された場合は、θ＝90°である。
【００８４】
受信機が十分ゆっくり動かされる場合にシステムを同調したままに保つことができる追跡方式および狭帯域動作のための適応技法が開示される。klcを（上記のように）最適化されるべき静的な設計パラメータと考えるのではなく、klcは周波数同調なしにレンジ適応を可能にすることのできる、動的に可変なインピーダンス整合パラメータと考えられてもよい。システムが実際には過剰結合されている（k23＞kCritical）のにω0（結合されていない共振周波数）で駆動される場合、周波数分裂の結果、システムは共振から外れることになり、電力はほとんどあるいは全く転送されなくなる。システムの効率を最大に戻すには、klcを減少させることができる。それにより式(4)のkCriticalがk23＝kCriticalとなるまで減少し、k23＝kCriticalとなった点で最大電力転送が再開できる。本発明者らは、コイルのまわりに回転させることのできるループの手調整でklcを変えることを用いて、多様なTx-Rx距離（k23値）についての同調を許容する、実験室実証システムにおけるこの同調方法の一つの形を成功裏に実装した。klc適応方法は、単一周波数ω0での動作を許容するという利点がある。これは帯域制限された動作にとって有利であろう。よって、klc同調のための電子的に制御可能な技法を開発することが実際上の利益となろう。先述したように、システムのループは、離散的な整合ネットワークによって置換されることができる。これらの整合ネットワークを電子的に可変することで、自動klc同調を許容できる。
【００８５】
追跡および同調方式の限定しない例として、送信機共振器の、ループからコイルへの結合係数の値は固定されてもよく、周波数は、送信機共振器コイルから受信機共振器コイルへの結合係数の特定の値について、所望される周波数を選ぶよう適応的に同調されてもよい。反射電力がたとえば送信機によってモニタリングされてもよく、送信機共振器の周波数が反射電力を最小にするために調整されることができる。いくつかの側面では、送信機共振器は、該送信機共振器が受信機共振器からフィードバック信号を受信するまで、ある周波数範囲を通じて掃引してもよい。所望される周波数は、送信機共振器と受信機共振器との間のある距離について、受信されたフィードバック信号に基づいて決定されてもよい。フィードバック信号は、電波信号、WiFi、ブルートゥース、ジグビー、RFID様後方散乱または負荷変調された信号のような信号を含んでいてもよい。負荷変調された信号は、送信機共振器の搬送波信号上に変調されてもよい。いくつかの側面では、所望される周波数は、送信機共振器と受信機共振器との間のある距離について、信号源と送信機共振器のコイルとの間のインピーダンス整合値に基づいて、決定されてもよい。
【００８６】
上記で論じたように、結合共振器無線電力転送システムは、レンジおよび配向が変わる際に最適効率を維持するよう適応できる。これは実際上重要である。多くの望ましい応用シナリオにおいて、送信装置に対する受信機装置のレンジおよび配向はユーザー挙動とともに変わるからである。たとえば、仕切り区画の壁に埋め込まれたコイルによって電力を受けるラップトップ・コンピュータは、ユーザーが装置の位置を直すたびに異なるレンジおよび配向をもつであろう。開示される適応方式の一つの特徴は、制御システムのための誤差信号が、送信機側のみから測定できるということである。受信機から送信機へのフィードバックを提供する別個の通信チャネルは必要とされなくてもよい。
【００８７】
いくつかの側面では、ハンドヘルド装置のような小型装置に最適に電力を与え、伝送される電力を装置サイズに基づいてスケーリングすることが望ましい。送信機より小さな電力供給装置は実際上関心のある事例である。携帯電話を再充電するコンピュータ・ディスプレイまたはラップトップを考えよう。レンジの、受信機コイル・サイズへの依存性は、臨界結合が次のようになる式(4)の非対称な形を呈示することによって論じることができる。（非対称とは、k12≠k34、Q1≠Q4およびQ2≠Q3であることが可能であることを意味する。）
【００８８】
【数１６】
2013546291.tif 000020
完全のため、式(5)の非対称な形は次のようになることが示せる。
【００８９】
【数１７】
2013546291.tif 000021
コイル・サイズとともにレンジをスケーリングすることへの洞察は、二つの単一ターン・コイルをリンクする結合係数についての近似公式から出発することによって得られる。試験したコイルは５巻きを有していたが、挙動は定量的に同様であることが期待される。公式は、受信半径が送信半径より小さいこと（rRx＜rTx）および両者が軸線上（on-axis）である、すなわち
【００９０】
【数１８】
2013546291.tif 000022
を想定している。（レンジの指標である）臨界結合の距離は次のように解くことができる。
【００９１】
【数１９】
2013546291.tif 000023
これに式(8)の右辺を代入することができる。上記の表S2からの測定された値を式(8)の右辺に代入し、結果として得られるkCriticalを式(10)に代入し、rTx＝30cmとすると、プロット式(10)は図８にプロットされる。このプロットによれば、半径5cmの装置に、約30cmのレンジにある半径15cmの送信機から電力を与えることが可能となりうる。このパラメータ・セットは、ラップトップ・コンピュータにおける無線電力送信機からの携帯電話の充電をサポートしうる。
【００９２】
いくつかの側面では、Txコイルおよび／またはRxコイルは、設計において実質的に平坦または平面状に構成されてもよい。ラップトップのような、より小さく、より平面状の大きさの構造との統合を改善することに加えて、平坦なコイル構造は、望まれないスプリアス電波周波数（RF）放射を低減させることもできる。実質的に平坦なコイルは、該平坦なコイルに垂直な方向において、より小さな双極子モーメントをもつからである。
【００９３】
いくつかの側面では、平坦なコイルは、適切な平坦な幾何構造を維持する非伝導性の基板または電機子上に、磁石ワイヤ、中実コア・ワイヤ、撚り構造のワイヤ、リッツ線、中空銅管（重量と伝導率のよりよい比を生じる）の好適な数のターンを形成することによって製作されてもよい。さらに、エッチングまたは他の仕方でパターン形成された導体およびプリント回路基板製作において使われる任意の方法によって製造されたものを含む、複数ターン2Dコイルを製造する他の方法が使用されてもよい。
【００９４】
本稿の実施形態では、装置は、堆積、除去、パターン形成および電気的属性の修正といった半導体デバイス製作方法によって製造されることができる。堆積方法はたとえば、物理蒸着法（PVD:  physical  vapor  deposition）、化学蒸着法（CVD:  chemical  vapor  deposition）、電気化学堆積法（ECD:  electrochemical  deposition）、分子線エピタキシー（MBE:  molecular  beam  epitaxy）および原子層堆積法（ALD:  atomic  layer  deposition）などを含む。除去方法はたとえば、ウェットエッチング、ドライエッチング、化学機械研磨（CMP:  chemical-mechanical  planarization）などを含む。パターン形成方法はたとえば、リソグラフィーなどを含む。修正方法はたとえば、UV処理（UVP:  UV  processing）において紫外光にさらすことを通じた誘電率の低減などを含む。
【００９５】
電機子材料に起因する誘電損失は、構造安定性のために必要とされないすべての余剰材料をなくすことによって最小化されうる。電機子は、アクリルまたはプラスチックからレーザーで切り出されてもよいし、あるいは射出成形されたプラスチックであってもよい。基板はガラス、プレクシグラス、難燃材４（FR4:  Flame  Retardant  4）、シリコン、低損失プリント回路基板材料、柔軟なプリント回路基板材料、ポリアミド、たとえば台湾のHonlex  Flexible  PCB  Industrial  Co.  Ltdによって販売されているポリカーボネートであってもよい。
【００９６】
無線電力転送のための実質的に平坦なコイルは、標準的なプリント回路基板（PCB:  printed  circuit  board）製作方法によって製作されてもよい。すなわち、Altium  Designerのような標準的なCADプログラムにおいてトレースがデザインされることができる。より幅広いトレースおよびより厚い銅がより高い伝導率値を生じ、これがよりよい共振器品質因子（Q）を与え、これが今度はシステム・レンジおよび効率の決定要因となる。共振器周波数はf＝1/(2π(LC)1/2)によって与えられる；共振器品質因子は(1/R)(L/C)1/2によって与えられる。より多くのターンは追加的なインダクタンスを与え、所望される共振周波数fを一定に保つためにCを減少させることができるのであれば、これがQを改善する。しかしながら、何らかの時点において、キャパシタンスCはそれ以上減少させることができなくなり、特定の共振周波数fについて使用できる最大のインダクタンス値を制限する。ターン数を制限するさらなる因子は、トレース長が増せば抵抗が増し、その結果Qが減少するということである。より多くのターンを使ってLを増加させる必要性がトレースの幅を制限する。これらの因子をバランスを取ることで、本発明者らは、5MHzないし15MHzの範囲の動作周波数について、約6ターンをもつ設計に到達した。
【００９７】
無線電力転送のためのコイルは、柔軟なプリント回路基板（PCB）方法を使って製作されてもよい。柔軟なPCB基板は通常の回路基板より薄いので、誘電損失が少なくなると期待されうる。誘電損失を低減するために、Rogers社のもののような低誘電損失材料から作られるPCB基板が使われてもよい。リソグラフィー、電気鋳造および成形（LIGA:  lithography,  electroforming  and  molding）のような微小電気機械システム（MEMS:  micro-electrical-mechanical  systems）プロセスでは、厚い（大きなアスペクト比）金属コイル（これはより高い伝導率をもつと期待される）がシリコン基板上に製造されてもよい。
【００９８】
平坦なコイルは、金属シートをダイ・スタンピング（die  stamping）すること；ビニール・カッターまたは同様のツールを使って金属箔を切断すること；噴射水流、レーザー・カッターまたは鋸を使って金属をパターン化することによって製作されてもよい。平坦なコイルは、インジウム‐スズ酸化物（ITO:  Indium  Tin  Oxide）または他の透明伝導性材料のような透明伝導体から製作されてもよい。
【００９９】
ラップトップのふたの内側の平坦なコイルは、印刷、シルクスクリーン法、ステンシル刷り付け（stenciling）、インクジェット印刷または伝導性材料をプリントできる他のプロセスによってパターン作成されてもよい。
【０１００】
上記方法のいくつかによって製作されるコイルのパフォーマンスは、材料に、銀、金またはプラチナのような、より高い伝導率の非酸化性材料をめっきすることによって改善できる。コイル・パフォーマンスは、（たとえめっきされる材料がとりわけ高伝導率でなくても）電気めっきまたは無電解めっきによる伝導性材料の量または厚さを増すことによっても改善できる。平坦なコイルは、ラップトップの外側から電力を受け取り、内側からの放射はシールドするよう設計されてもよい。2Dコイルの外形は特定の形に限定されず、円形、長方形、正方形または他の任意の外形形状など、モバイル装置の設計上の考察に合わせて適応することができる。
【０１０１】
上記で論じたように、無線電力システムが最適に同調されていないとき、送信機において大きな反射が生成される。送信機のサイズおよびコストを最小化するために、送信側における大きな電力反射を回避することが望ましい。送信機で有意な電力が反射される場合、かさばってコストがかさむ電力散逸システムが必要となり、熱的負担が増し、追加的な保護回路が必要となることもある。さらに、反射される電力は典型的には散逸熱として失われ、システムの正味の効率を低下させる。
【０１０２】
レンジまたは配向適応のための周波数ベースの同調は、最適に同調するために使用されることができる。ここで、周波数ベースの同調は、送信側の反射を最小にし、それにより電力スループットを最大にするよう、周波数を調整することによって達成される。あるいはまた、周波数同調の代わりに、ループとコイルの結合、たとえばKlcの同調が同様の仕方で使用されてもよい。
【０１０３】
システムが臨界結合または過剰結合されているとき（すなわち、「マジック領域」にあるとき）、（周波数、Klcまたは負荷の同調〔チューニング〕によって）最適に同調されていれば、原理的には、送信側で反射は生じない。システムが不足結合されているときは、システム・パラメータが電力送信を最適化するよう選ばれているときでも、送信側で実質的な反射がある。
【０１０４】
図９は、本開示のさまざまな側面に基づく、無線電力システムのための自動同調プロセスの例示的なフローチャートを示している。このプロセスでは、自動同調無線電力システムは、単に周波数（またはKlcまたは他の同調パラメータ）ではなく、送信側振幅を調整するよう構成される。これは、システムが、送信側において実質的な反射が起こらないときにのみ、たとえば一つまたは複数の受信機装置が存在しており、かつ一つまたは複数の受信機への結合が最大反射電力閾値基準を満たすのに十分高いときにのみ、高電力レベルで送信することを許容する。
【０１０５】
一般に、本システムの効率的な動作を維持する方法は、送信周波数を掃引し、前方電力および反射電力の両方を測定してピーク効率が達成できる共振周波数（単数または複数）を同定することを含む。しかしながら、共振を外れた周波数では、送信側において有意な電力が反射され、上記の潜在的なペナルティーを被る。よって、この手順の間に送信側が経験する反射電力を最小にするために、そのような周波数掃引を低電力レベルで実行することが望ましい。
【０１０６】
９０５において、送信機は低電力レベル信号または「パイロット・トーン」を生成することができる。この構成においては、システムが単一周波数で動作する周波数同調の代わりに、klcまたは負荷同調が使用される。反射電力と送信電力の比は、受信機が存在しているまたは十分近くにあるまたは電力を受け入れるモードにあるかどうかを判別するために使用されることができる。源‐受信機結合が十分であるときにのみ、高振幅電力信号が生成される。
【０１０７】
いくつかの側面では、送信機は、９１０に示されるように、より高い電力レベルでの電力送信を可能にすべきか否かを決定するために、低電力で周波数掃引を実行することができる。
【０１０８】
いくつかの側面では、９１５に示されるように、低電力周波数スキャンは、高電力送信と同時に行われることができる。高電力送信が周波数スキャンによって中断される必要がないので、これは、受信機装置がより高速な正味の充電時間を経験することを可能にする。
【０１０９】
９２０では、反射信号が検出されるかどうかについての判定がなされる。（１）受信機が存在しない、または（２）反射電力閾値基準を満たすだけ十分近くの受信機がない、または（３）過剰結合されるのに十分近い受信機がない、という三つの場合のいずれにおいても、システムは低電力レベルで定期的にスキャンを続ける。これらの条件は、共鳴分裂の欠如によって検出されてもよい；あるいはまた、受信機の不在は、S11散乱パラメータの絶対値によって検出されてもよい。この値は、閾値反射値に達するまでTX振幅を徐々に増加させていくことによって見出してもよい。
【０１１０】
９２０でなされた判定の結果が否であれば、プロセスは送信機が低電力レベル信号を定期的に送るよう構成される９０５にループで戻る。周期は、受信機が送信機のレンジにはいったり出たりする頻度などの、ネットワークの具体的な性質に依存して、数秒、数分または数時間のオーダーであることができる。９２０でなされる判定の結果が肯定的であれば、９２５において一つまたは複数の共振周波数が判別される。すると、送信機は、９３０において、前記一つまたは複数の判別された共振周波数において高電力信号を送信することができる。
【０１１１】
この振幅チューニングは、システムが電力を浪費し、高電力反射によって損傷を受けることを防ぐことができる。受信機が存在しないときに高電力で送信することが決してないからである。大きな反射を回避することは、（受信機がある期間とない期間にわたって平均した）全体的なシステム効率の向上をも生じる。
【０１１２】
たとえば、受信機が存在し、過剰結合領域にあるために十分近いとする。この状況では、システムがレンジ適応のために周波数同調を使うとすると、最適周波数は低電力スキャンに基づいて選択されることができる。最適周波数が選択されると、次いで送信振幅が、電力転送に必要とされるレベルまで増加されることができる。この低電力受信機検出および同調技法の使用は、送信機が高電力状態に持ち込まれるときに、可能な最小の反射を経験することを保証する。
【０１１３】
システムが線形である（そしてループおよびコイルが実際に線形である）限りにおいて、異なる信号を重ね合わせ、それぞれに対するシステムの応答を別個に解析することができる。システムがある周波数で電力を送達している間、低電力周波数掃引が同時に行われることができる。低電力スキャンでより効率的な周波数が検出される場合、高電力信号の周波数は、低電力スキャンで見つかった最良の周波数に変更されることができる。周波数同調が電力送達に使われていない場合、すなわち、電力が常に単一周波数で送達される場合でも、低電力周波数スキャンは高電力システムのための最適な同調パラメータを推定するために使われることができる。低電力周波数スキャンは最適周波数を同定するために使われる。この値は、最適なKlc値にマッピングされることができる。次いで最適なKlc値が指令されることができる。
【０１１４】
同時の低電力周波数掃引はいくつかの恩恵を提供できる。単に局所的探索を行って（たとえば現在の周波数の下および上の一つの周波数を試して三つのうち最良のものを選ぶ）送信周波数を調整する場合には、システムは時に、二つの共振ピークのうちの間違ったもの（すなわち効率の低いほう）を追跡することになる。従来技術の方法では、この「極小」問題を、高電力レベルでグローバルな周波数スキャンを行って回避することができる。だがこれは時間がかかる。つまり、グローバル・スキャンの間、電力が効率的に送信されないことになる。よって、送達される正味電力が低下する。同時の高振幅電力送達および低電力スキャンは、高電力送信の中断を必要とすることなく、グローバルに最適な同調パラメータが選択されることを保証することができる。
【０１１５】
受信装置が、ある種の電力値を使うことしかできない場合、送信機が供給しようとする過剰な電力は送信側における反射として現れることがありうる。S11反射パラメータは反射電力と送信電力の比である。受信システムが送信機によって提供されるすべての追加的電力を消費する場合、S11は、絶対的な送信電力レベルが増加させられるときでも、一定となる。しかしながら、ひとたび受信側が飽和し、追加的な電力を受け入れることができなくなると、TX電力レベルを増加させることは、TX側での反射の増大につながり、これはS11の増大として現れる。このように、TXは、S11が一定に留まる限り、送信される電力を増すことによって、最適な電力送達点にサーボすることができ、ひとたびS11が上昇したら、TXはその送信電力を下げることができる。（この議論は、システムが可能な最大電力を高効率で送信することをねらいとしていることを想定している。他の制約条件が支配的となることも可能であり、たとえば、許容可能な最大絶対反射電力レベルがあってもよい。その場合、送信電力は絶対反射電力閾値を超えるかS11が上昇するまで、増大させられることができる。）
さらに、「受信機がレンジ外」「受信機がレンジ内だが飽和」の場合は、二つの仕方で区別できる。一つは、TX振幅スキャンを使い、一つはTX周波数スキャンを使う。いずれの状況も、ミスマッチ、よって、潜在的には同じ大きな絶対反射値またはS11値に対応することができる。「レンジ外」の場合、S11は、非常に低いTX振幅も含めTX振幅のすべての選択について一定である。「受信機が飽和」の場合、S11は、低振幅については一定で、受信機が飽和にはいると上昇する。受信機がレンジ外のときは、周波数分裂は起こらない。このように、受信機は、分裂を探す周波数スキャンを（可能性としては低電力で）行うことによって検出できる。この周波数スキャン技法は、たとえ電力が単一周波数でのみ送達される場合であっても、受信機検出（またはより一般にレンジ推定）のために使用できる。
【０１１６】
図９は、本開示のさまざまな側面に基づく、無線電力システムのための自動同調プロセスの例示的なフローチャートを示している。このプロセスでは、自動同調無線電力システムは、単に周波数（またはklcまたは他の同調パラメータ）ではなく、送信側振幅を知的に調整するよう構成される。これは、システムが、送信側において実質的な反射が起こらないときにのみ、たとえば一つまたは複数の受信機装置が存在しており、かつ一つまたは複数の受信機への結合が最大反射電力閾値基準を満たすのに十分高いときにのみ、高電力レベルで送信することを許容する。
【０１１７】
９０５では、送信機は第一の電力レベルP1で電力を送信するよう設定される。９１０では、送信機は第一の周波数F1で電力を送信するよう設定される。９１５では、受信機結合基準を示す時間信号が測定される。受信機結合基準は、反射された電圧波振幅、反射された電圧波振幅と前進電圧波振幅の比、反射電力または反射電力と前進電力の比を含むことができる。９２０では、第一の周波数F1が最大周波数であるかどうかについての判定がなされる。９２０での判定の結果が肯定的であれば、９２５において受信機結合基準が満たされるかどうかについての判定がなされる。９２０での判定の結果が否定的であれば、９３０において、第一の周波数F1はΔFだけインクリメントされ、プロセスはループで９１５に戻る。９２５での判定の結果が肯定的であれば、９３５において送信電力は第二の電力レベルP2に設定される。９２５での判定の結果が否定的であれば、９４０において送信機はオフにされる。
【０１１８】
図１０は、本開示のさまざまな側面に基づく、無線電力システムのための自動同調プロセスのもう一つの例示的なフローチャートを示している。１００５では、送信機は第一の周波数F1での第一の高い電力レベルP1での電力信号と、第二の周波数F2での第二の低い電力レベルP2での電力信号との重ね合わせにおいて電力を送信するよう設定される。次いで、第二の低電力レベル信号は何らかの第一の値F2STARTから何らかの第二の値F2STOPまで、何らかのきざみサイズΔF2をもって掃引される。１０１０では、第二の各周波数きざみサイズについて送信アンテナにおいて、受信機結合基準を示す時間信号が測定される。受信機結合基準は、反射された電圧波振幅、反射された電圧波振幅と前進電圧波振幅の比、反射電力または反射電力と前進電力の比を含むことができる。第二の各周波数きざみについて、測定された信号の成分が、第一の周波数F1での第一の高電力信号P1に対応する第一の成分M1と、第二の周波数F2での第二の低電力信号P2に対応する第二の成分M２とに分離される。いくつかの側面では、測定された信号は、復調回路を使って成分M1およびM2に分離される。ここで、測定された信号Mは、P1、F1信号およびP2、F2信号を振幅スケーリングしたものを別個に乗算され、結果として得られる各信号が、その後、低域通過フィルタ処理されてその結果それぞれM1およびM2を生じる。この側面は、図１１および図１２においてより詳細に示され、記述される。いくつかの側面では、測定される信号は、測定された時間信号の周波数変換を取り、F2のまわりのある周波数帯に対応する信号の諸成分を単離することによって、成分M1およびM2に分離される。この側面は、図１３においてより詳細に示され、記述される。
【０１１９】
図１０に戻ると、１０１５において、第二の周波数F2が最大周波数であるかどうかについての判定がなされる。１０１５における判定の結果が肯定的であれば、１０２０において受信機結合基準が満たされるかどうかについての判定がなされる。１０１５での判定の結果が否定的であれば、１０２５において、第二の周波数F2はΔF2だけインクリメントされ、プロセスはループで１００５に戻る。１０２０での判定の結果が肯定的であれば、１０３０において送信機は第一の電力レベルP1で電力を送信する。１０２０での判定の結果が否定的であれば、１０３５において送信機はオフにされる。プロセスは、１０２５にループで戻って第二の周波数F2がΔF2だけインクリメントされ、次いで１００５にループで戻ることができる。
【０１２０】
いくつかの側面では、送信機によって送信される電力は複数の周波数を横断して掃引されるので、送信機と一つまたは複数の受信機との間で、送信機と受信機の結合が受入可能となりうる二つ以上の周波数または周波数範囲が存在することがありうる。この例では、送信機は、受入可能な周波数の範囲内の「最良」周波数で電力を送信するよう構成されることができる。送信機または受信機の移動など、システム・パラメータが変わる場合には、この「最良周波数」は、別の「最良」周波数に同調されることができる。
【０１２１】
図１１は、図１０の自動同調プロセスの信号流れ図の一般的な表現を示している。方向性結合器１１０５は、何らかの周波数F1における高振幅RF信号の小信号版と、何らかの周波数F2における低振幅RF信号の小信号版とを受信するよう構成されている。方向性結合器１１０５の反射ポートから現れる反射された信号１１１０が測定される。１１１５においてF1の大きさが測定され、１１２０においてF2の大きさが測定される。同様に、方向性結合器１１０５の前進ポートから現れる前進信号１１２５が測定される。１１３０においてF1の大きさが測定され、１１３５においてF2の大きさが測定される。いくつかの側面では、１１１５、１１２０、１１３０および１１３５における決定は、図１２に示されるアナログ・コンポーネントを使って、あるいは図１３に示されるデジタル・コンポーネントを使って実行できる。
【０１２２】
図１２は、同時に低振幅周波数掃引を実行しながら高振幅信号を送信することを可能にする、アナログ復調方式の例示的な概略的表現を示している。この例示的な復調方式は、電力送達サービスを中断することなく、最適な動作条件を決定するために使用できる。図では、第一のRF源１２０５が、何らかの周波数F1における高振幅RF信号の小信号版を生成するよう構成されており、第二のRF源１２１０が、何らかの周波数F2における低振幅RF信号の小信号版を生成するよう構成されている。この生成された信号は増幅器１２１５に供給される。方向性結合器１１２０は、増幅器１２１５から増幅された信号を受信するよう構成される。方向性結合器１２２０はまた、前進および逆行（または反射）RF信号の小信号版を受けるようにも構成される。方向性結合器１２２０の上のRFout信号は、送信側コイルに電力を与える。反射された信号の小信号版は、二つの周波数F1およびF2のそれぞれを別個に乗算されて、結果として得られる信号がフィルタ処理１２２５、１２３０、１２３５および１２４０（低域通過フィルタ処理）されて、結果として、第一の高振幅RF源１２０５および第一の高振幅の逆行（または反射）低域通過フィルタ処理信号に対応する反射信号と、第二の低振幅RF源１２１５および第二の低振幅の逆行（または反射）低域通過フィルタ処理信号に対応する逆行（または反射）信号とを生じる。
【０１２３】
図１３は、デジタル信号プロセッサ（DSP）を使ったデジタル復調方式の例示的なプロセスを示している。いくつかの側面では、DSPは、フーリエ変換を計算し、所望される周波数ビンの大きさを取ることによって、実装できる。あるいはまた、DSPは、関心のある周波数ビンを直接的に計算することによって実装できる。ここで図１３に目を転じると、プロセスは１３０５で始まり、tが0に等しいと設定される。１３１０においてF2(t)が計算され、１３１５においてF1(t)が計算される。１３２０では、F2(t)とF1(t)の和C(t)が計算される。１３２５では、ボルト単位のC(t)が送信器コイルTxに印加される。１３３０では、方向性結合器１１２０の前進ポートにおける電圧W(t)が測定される。１３３５では、方向性結合器１１２０の逆行ポートにおける電圧R(t)が測定される。１３４０では、時間tが1だけ増やされる。１３４５では、値W2、W1、R2およびR1が、W2＝W2＋F1(t)・W(t)；W1＝W1＋F1(t)・W(t)；R2＝R2＋F2(t)・R(t)；R1＝R1＋F1(t)・R(t)に従って計算される。ここで、「・」で表される演算はスカラー乗算を表す。１３５０では、t＜何らかの閾値Tであるかどうかについて判定がなされる。１３５０における判定の結果が否定的であれば、プロセスは１３１５に戻る。１３５０における判定の結果が肯定的であれば、１３５５において値W2、W1、R2およびR1が、W2＝W2/T；W1＝W1/T；R2＝R2/T；R1＝R1/Tに従って計算される。
【０１２４】
いくつかの側面では、無線電力システムにおいて送信機コストを最小化することが望ましいことがある。受信装置当たりの送信コストを減らす一つの方法は、複数の受信機への電力送達を時間多重することによって、単一の送信機が複数の受信装置に電力を供給できるようにすることである。この側面では、送信機は複数の送信アンテナおよび単一の増幅器および制御ユニットを含むことができる。送信機は、各受信機装置に逐次的に、全送信時間の一部分の間、フル電力を送達することができる。この手法は、各受信機装置での効率最適化を個々に許容する。全電力のうち各受信機装置によって受信される部分は、各受信機が電力を受信する時間の割合を制御することによって制御される。
【０１２５】
いくつかの側面では、一つまたは複数の受信機への電力の割り当ては、時間とともに変化することができる。すなわち、割り当ては静的ではなく動的である。電力混合は、各装置の電力状態によって影響されることができる。一つの限定しない例として、ある受信機は電力が非常に不足していることがあり、そのためその受信機の優先度が最上位に上がることができる。別の限定しない例では、装置の混合は変化してもよく、たとえば新たな装置が導入されるとき、グローバルな電力割り当てに影響することができる。この型の情報を使って、各受信機に対して、受信機自身によってまたは送信機によって優先度が割り当てられることができる。優先度に基づいて、受信機間で無線電力送信が調停される（たとえばタイムスライスを通じて）ことができる。
【０１２６】
いくつかの側面では、送信装置から一つまたは複数の受信装置にコマンドが送信されることができる。コマンドは、前記一つまたは複数の受信装置のどれが電力を受信すべきかを伝えるよう構成される。コマンドは、事前に取り決められた時間スケジュールに基づくことができ、送信される電力をエンコード、変調またはその両方をされた電波コマンドであることができる。コマンドは、前記一つまたは複数の受信装置に、電力が送信されるのとは異なる通信プロトコル、チャネルまたは媒体で通信されることができる。通信プロトコルは、ブルートゥースまたはIEEE802.11のようないくつものショート・レンジおよびロング・レンジの無線通信技術を含むことができる。ブルートゥース規格は非特許文献１および２において詳細に記述されている。IEEE802.11規格は非特許文献３において詳細に記述されている。他の通信プロトコル、たとえばWiMAX（Worldwide  Interoperability  for  Microwave  Access［マイクロ波アクセスのための世界規模の相互運用性］）、ジグビー（ZigBee）（無線パーソナル・エリア・ネットワーク（WPAN）についてのIEEE802.15.4-2003規格に基づく小型低電力デジタル無線機を使った高レベルの通信プロトコルの組の仕様）または他の任意の好適なもしくは将来の通信プロトコルが使用されることもできる。
【０１２７】
送信機は、無線電力送信を実行するために当該送信機に結合された一つまたは複数のアンテナを制御可能に動作させるよう構成されているコントローラ／スケジューラを含むことができる。促されたとき、送信機は、前記一つまたは複数のアンテナを通じて前記一つまたは複数の受信機と選択的に通信してもよい。いくつかの側面では、送信機は、各受信機のために、別個のアンテナおよび該アンテナを動作させるための関連するハードウェア／ソフトウェアを備えることができる。コントローラ／スケジューラは、いかなる好適なプロセッサ・ベースのユニットであってもよく、いくつかの実施形態では、コントローラ／スケジューラは、プロセッサおよび優先度プロトコルを記憶する記憶部を有していてもよく、あるいはソフトウェア・ベースであってもよい。優先度プロトコルは、ある実施形態では、アクティブな各送信機および／または受信機に優先度を割り当てる基礎としての、あらかじめ定義された基準を含んでいてもよい。そのようなあらかじめ定義された基準はさらに、送信機によって、前記一つまたは複数の受信機によって、または両方によって動的に割り当てられてもよい基準を含んでいてもよい。すると、前記一つまたは複数の受信機のうちの一つが選択的にエネルギー付与（たとえばパワーアップ（powered  up））されうるよう、電力送信の制御は、優先度に基づいて調停されてもよい。いくつかの側面では、優先度は、各受信機について関連付けられた電力消費のような基準に基づいて各受信機に割り当てられてもよい。たとえば、受信機はバッテリーで動作するシステムであってもよく、他の受信機よりも相対的により電力を渇望していることがある。しかしながら、バッテリー寿命の評価に基づいて、ある受信機が他の受信機に対して優先されてもよい。
【０１２８】
いくつかの側面では、単一の送信アンテナを有する送信機が、一つまたは複数の受信機に、時間多重された仕方で電力を送達するよう構成されることができる。そのような構成では、各受信機は、送信機と関連付けされる／脱関連付けされるために同調／脱同調されることができる。たとえば、受信機は、これに限られないがたとえば電子的に制御可能なスイッチによって、負荷を接続／切断することができる。もう一つの例では、受信機は、共振アンテナの回路素子を接続／切断することができる。回路素子はたとえば、抵抗器、キャパシタ、インダクタまたはアンテナのコイルの追加的なターンのようなアンテナの任意の物理的なトレースを含むことができる。そうすることによって、受信機アンテナを、電力送達の周波数で共振させることができる。たとえば、回路素子と直列のスイッチを使って、開放回路によりその回路素子を切断するようにしてもよい。このように、受信機は、送信機との共振から外れさせることができ、それにより受信機を送信機から切断することができる。さらに、閉じられたスイッチが回路素子を接続することができ、それにより送信機と共振し、送信機から電力を受信できる受信アンテナを生じさせることができる。さらに、回路素子と並列なスイッチを使って、閉じたスイッチが、回路素子への低インピーダンスのバイパスを提供できるようにすることができる。それにより受信機アンテナを送信機との共振から外れさせ、それにより受信機が送信機から切断されるようにできる。さらに、開いたスイッチが共振アンテナを生じさせ、それにより受信機に電力を提供するようにできる。
【０１２９】
いくつかの側面では、単一の送信アンテナを有する送信機が、一つまたは複数の受信機に、時間多重された仕方で電力を送達するよう構成されることができ、各送信機は、各受信機に独立して電力を送達するよう、相異なる周波数に同調されることができ、該送信機は受信機周波数の間でホッピングできる。送信周波数は周波数発生器によって制御されることができる。周波数発生器は、これに限られないがたとえば、スイッチされるキャパシタ・バンクをもつ電圧制御発振器、バラクタをもつ電圧制御発振器および位相ロック・ループである。各受信機は、ネゴシエーション期間の間に周波数を変えるよう構成されることができ、これは、衝突がないよう、存在するすべての受信機が相異なる周波数にスイッチすることを許容する。受信機は周波数の変更を、たとえば、離散的なキャパシタのスイッチ可能なアレイ、アンテナ上の一つまたは複数のインダクタまたはアンテナの物理的なトレースを使って行うことができる。
【０１３０】
いくつかの側面では、単一の送信アンテナを有する送信機が、一つまたは複数の受信機に、周波数多重された仕方で電力を送達するよう構成されることができ、各受信機は、相異なる周波数に同調されることができ、送信機は複数の周波数で同時に電力を送達する。送信機では、複数の周波数を同時に生成するために周波数生成が使われることができる。たとえば、共通の参照発振器または一つまたは複数の独立した電圧制御発振器（VCO:  voltage  controlled  oscillator）を有する一つまたは複数の位相ロック・ループ（PLL:  phase-locked-loop）を使うことができる。各受信機は、たとえばネゴシエーション期間中に周波数を変える機能を有することができる。これは、衝突がないよう、存在するすべての受信機が相異なる周波数にスイッチすることを許容する。受信機はその周波数の設定を、たとえば、離散的なキャパシタのスイッチ可能なアレイ、アンテナ上の一つまたは複数のインダクタまたはアンテナの物理的なトレースを使って行うことができる。
【０１３１】
いくつかの側面では、複数の送信アンテナをもつ送信機が、一つまたは複数の受信機に、時間多重された仕方で電力を送達するよう構成されることができる。この側面では、送信機は、前記一つまたは複数の受信機への接続性を制御するよう構成されることができる。たとえば、制御は、各送信アンテナと直列接続された一つまたは複数のスイッチによって達成されることができる。開放回路が接続を切断する。制御はまた、任意の離散的な回路素子または各送信アンテナのアンテナ・トレースと直列接続された一つまたは複数のスイッチによって達成されることもできる。開放回路が切断された回路素子を生じさせ、送信アンテナは受信機に対して共振外れとなる。こうして、送信アンテナは受信機と切断される。さらに、閉じたスイッチが接続された回路素子を生じさせ、送信アンテナを受信機と共振させる。こうして、送信アンテナは受信機に接続される。いくつかの側面では、制御は、各送信アンテナの回路素子と並列に接続されたスイッチによって達成されることができる。閉じたスイッチが、回路素子への低インピーダンスのバイパスを提供し、送信アンテナを受信機との共振から外れさせる。こうして、送信アンテナは受信機と切断される。さらに、開いたスイッチが送信アンテナを受信機と共振させる。こうして、送信アンテナは受信機に接続される。
【０１３２】
さらに、送信機が、一つまたは複数の受信機に時間多重された仕方で電力を送達するよう構成されている複数の送信アンテナをもつ構成では、接続性は受信機によって制御されることができる。送信機は、すべてのアンテナに同時に接続されることができ、受信機は、上記で先述したように自らを同調／脱同調させる。
【０１３３】
いくつかの側面では、複数の送信アンテナをもつ送信機が、一つまたは複数の受信機に、周波数多重された仕方で電力を送達するよう構成されることができる。そのような構成では、各送信アンテナは、相異なる、固定した周波数に同調されることができる。受信機は、上記の同調方法によって近接アンテナ（proximal  antenna）の周波数に同調されることができる。それにより、複数のアンテナに同時に電力が送達できる。たとえば、各受信機アンテナは、相異なる固定した周波数に同調されることができ、送信アンテナは、上記の方法によって、近接受信機にマッチする周波数を選択することができる。
【０１３４】
いくつかの側面では、複数の送信アンテナをもつ送信機が、一つまたは複数の受信機に空間多重された仕方で電力を同時に送達するよう構成されていることができる。ここで、送信は同じ周波数で行われる。この場合、各送信アンテナを通じて送達される電力レベルは、各受信機に相異なる電力レベルを送達するために、独立して制御されることができる。
【０１３５】
図１４Ａ〜図１４Ｄは、本開示のさまざまな側面に基づく送信機側の同調のための例示的な制御機構を示している。図１４Ａは、送信機ループ（Txループ）において直列に配置されたスイッチS1を示している。図１４Ｂは、送信機コイル（Txコイル）において直列に配置されたスイッチS1を示している。図１４Ｃは、いずれも送信機ループ（Txループ）内の、キャパシタC1と並列に配置されたスイッチS1、源抵抗器（Rsource）および源電圧（Vsource）と並列に配置されたスイッチS1、抵抗器Rp1と並列に配置されたスイッチS1、またはインダクタL1と並列に配置されたスイッチS1を示している。図１４Ｄは、いずれも送信機コイル（Txコイル）内の、抵抗器Rp2と並列に配置されたスイッチS2、インダクタL2と並列に配置されたスイッチS2、またはキャパシタC2と並列に配置されたスイッチS2を示している。
【０１３６】
図１５Ａ〜図１５Ｄは、本開示のさまざまな側面に基づく受信機側の同調のための例示的な制御機構を示している。図１５Ａは、受信機ループ（Rxループ）において直列に配置されたスイッチS4を示している。図１５Ｂは、受信機コイル（Rxコイル）において直列に配置されたスイッチS4を示している。図１５Ｃは、いずれも受信機ループ（Rxループ）内の、キャパシタC4と並列に配置されたスイッチS4、負荷抵抗器（RL）と並列に配置されたスイッチS4、インダクタL4と並列に配置されたスイッチS4、または抵抗器Rp4と並列に配置されたスイッチS4を示している。図１５Ｄは、いずれも受信機コイル（Rxコイル）内の、キャパシタC3と並列に配置されたスイッチS3、インダクタL3と並列に配置されたスイッチS3、または抵抗器Rp3と並列に配置されたスイッチS3を示している。
【０１３７】
図１６は、単一の送信アンテナで複数の受信機装置に電力を供給するよう構成されている単一の送信機を有する送信システムの例を示している。送信アンテナ１６０２を含む送信装置１６０１は、コントローラ１４０３によって制御されることができる。該コントローラは、上記の図１ａとの関係で述べたのと同様の、増幅ユニット、波形生成器および制御回路（みな図示せず）を含むことができる。コントローラ１６０３は送信装置１６０１の一部であることもできるし、あるいは送信装置１６０１に結合される別個のコンポーネントであってもよい。この側面において、スイッチングは、受信機１６０５、１６１０、１６１５および１６２０によって制御される。各受信機１６０５、１６１０、１６１５および１６２０は、その割り当てられた時間スライスの期間中にのみ、存在する他の受信機が自らを脱同調させている間に、電力を受け取るよう自らを同調させることができる。送信装置１６０１は、連続的な電力レベルおよび周波数で送信してもよいし、あるいは個々の各受信機に最適に電力を送達するために、送信の電力レベル、周波数またはその両方を調整してもよい。
【０１３８】
各受信機は、電力受信を有効化および無効化することができてもよい。これは、受信アンテナを脱同調させること（たとえば受信機を送信周波数に共振しないようにするためコンポーネントの値を切り換える）、インピーダンス変成器（transformer）を脱同調させることまたは劇的に負荷を増大させること（たとえばスイッチングして開放回路にする）を含む多様な仕方によって達成されることができる。この構成において、各受信機と送信機の間、受信機間またはその両方の通信の機構は、タイミングを制御することを提供することができる。いくつかの側面では、送信機は、各受信機に、電力を受信するためにオンになるべきときおよびオフになるべきときに信号を送ることによって、多重化タイミングを制御することができる。いくつかの側面では、タイミングは、各受信機によって合意され、受信機間の通信を通じて執行されることができる。送信機または受信機が電力送付の優先順およびタイミングについて合意できるよう、電力送達のための受信機の優先性の指標のような追加的な制御パラメータ（たとえば、バッテリー充電状態、電力送達サービスへの加入状態など）が通信されることができる。
【０１３９】
図１７は、単一の送信装置が複数の送信アンテナを有することができ、各送信アンテナが一つまたは複数の受信装置に電力を供給できる例示的な送信システムを示している。送信アンテナ１７０２および１７０３を含む送信装置１７０１は、コントローラ１７０４によって制御されることができる。該コントローラは、上記の図１ａとの関係で述べたのと同様の、増幅ユニット、波形生成器および制御回路（みな図示せず）を含むことができる。コントローラ１７０４は送信装置１７０１の一部であることもできるし、あるいは送信装置１７０１に結合される別個のコンポーネントであってもよい。この構成は、送信レンジを効果的に拡張するために望ましいことがありうる。各アンテナは何らかの送信レンジをもち、そのレンジにわたっては送信アンテナと受信アンテナの間で受入可能な電力送達効率が達成できる。複数の送信アンテナが実質的に重なり合わないレンジをもつよう複数の送信アンテナを構成することによって、ずっと大きな領域にわたって装置に電力を送達できる。この実装は、単一の波形生成器、増幅器および測定および制御回路がさまざまな送信アンテナの間で共有されることができるので、複数の別個の送信システムを設けることに対してコスト節減を提供しうる。この構成はまた、受信側スイッチングによって制御されてもよい。ここで、増幅器は連続的にすべてのアンテナを駆動する。レンジ内に受信機がない送信アンテナは、高いインピーダンスを経験するので、利用可能な電力はレンジ内に受信機がある送信アンテナを通じて送信される。この構成では、受信側のスイッチングは、単一送信アンテナの場合について上記したように進行する。
【０１４０】
いくつかの側面では、送信システムは、複数の送信アンテナを含む送信装置を含むことができ、送信スイッチは送信装置側に生起する。送信側が単一の増幅ユニットに接続された複数のアンテナを有する構成では、スイッチングは代替的に、送信側のみで達成されてもよい。この場合、送信アンテナは、増幅ユニットに切り換え可能に接続され、各送信アンテナは、その送信アンテナの対応する受信機（単数または複数）が電力を受信する時間スライスの期間中にのみ増幅ユニットに接続される。タイミング情報が受信機装置に通信される必要はないものの、装置電力優先度の指標（たとえば、バッテリー充電状態、電力送達サービスへの加入状態など）、受信された電力レベルなどのような制御情報を通信するために、受信機と送信機との間で通信の機構を設けておくことが望ましいことがありうる。
【０１４１】
上記の開示は、現在多様な有用な実施形態であると考えられているものを論じているが、そのような詳細は単にその目的のためであって、付属の請求項は開示される実施形態に限定されず、むしろ、付属の請求項の精神および範囲内である修正および等価な構成をカバーすることが意図されていることは理解しておくものとする。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2013546291.tif 000025
【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
2013546291.tif 000028
【図３ａ】
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【図３ｂ】
2013546291.tif 000030
【図４ａ】
2013546291.tif 000031
【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
2013546291.tif 000034
【図６ａ】
2013546291.tif 000035
【図６ｂ】
2013546291.tif 000036
【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】
2013546291.tif 000041
【図１１】
2013546291.tif 000042
【図１２】
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【図１３】
2013546291.tif 000044
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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