(57)【要約】無線電力伝達用の改良型構成を本明細書に記載する。埋め込み型の電子機器及び装置のための方法及び設計を記載する。無線エネルギー伝達を利用して、埋め込み型装置に給電するために皮膚を貫通するコード及び電力ケーブルをなくす。中継器共振器を用いて、供給源共振器と装置共振器との間の電力伝達特性を改善する。【選択図】図２２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者に埋め込んだ装置に給電する無線エネルギー伝達システムであって、
第１共振周波数を有する高Ｑ供給源共振器であり、前記患者の外部にあり、電源に結合され、且つ実質的に前記第１共振周波数で振動磁場を生成するよう構成される高Ｑ供給源共振器と、
第２共振周波数を有する高Ｑ装置共振器であり、供給電力を必要とする埋め込み型装置に結合され、患者の内部にあり、且つ前記供給源共振器が生成した前記振動磁場を捕捉するよう構成される高Ｑ装置共振器と、
中継器共振器と
を備え、該中継器共振器は、前記供給源共振器と前記装置共振器との間のエネルギー伝達を改善するよう位置決めされる無線エネルギー伝達システム。
【請求項２】
請求項１に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は前記患者の外部にある無線エネルギー伝達システム。
【請求項３】
請求項２に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は、前記患者が装着可能な衣服に組み込まれる無線エネルギー伝達システム。
【請求項４】
請求項１に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は、前記患者の内部にある無線エネルギー伝達システム。
【請求項５】
請求項１に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器と前記装置共振器との間の無線エネルギー伝達を改善するよう位置決めした少なくとも１つの付加的な中継器共振器をさらに備えた無線エネルギー伝達システム。
【請求項６】
請求項５に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は、前記供給源共振器の位置範囲にわたって外供給源共振器と前記装置共振器との間に実質的に均一なエネルギー伝達を提供するよう位置決めされる無線エネルギー伝達システム。
【請求項７】
請求項１に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は少なくとも１つのリッツワイヤループを含む無線エネルギー伝達システム。
【請求項８】
請求項１に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器及び前記装置共振器はＱ＞１００を有する無線エネルギー伝達システム。
【請求項９】
患者に埋め込んだ装置に給電する無線エネルギー伝達システムであって、
第１共振周波数を有する高Ｑ供給源共振器であり、前記患者の外部にあり、電源に結合され、且つ実質的に前記第１共振周波数で振動磁場を生成するよう構成される高Ｑ供給源共振器と、
第２共振周波数を有する高Ｑ装置共振器であり、供給電力を必要とする埋め込み型装置に結合され、患者の内部にあり、且つ前記供給源共振器が生成した前記振動磁場を捕捉するよう構成される高Ｑ装置共振器と、
外装置共振器の温度を測定するよう位置決めした温度センサと、
前記装置共振器に結合したチューナブルコンポーネントと
を備え、該チューナブルコンポーネントは、前記温度センサからの読みに応じて前記装置共振器の前記第１共振周波数を変更するよう調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントは、前記第１共振周波数を前記第２共振周波数から離れたより低い周波数に変更するよう調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントは、前記第１共振周波数を前記第２共振周波数から離れたより高い周波数に変更するよう調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントは、前記装置共振器の温度を５０℃未満に維持するよう調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１３】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントはキャパシタである無線エネルギー伝達システム。
【請求項１４】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントはインダクタである無線エネルギー伝達システム。
【請求項１５】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度は、前記装置共振器が捕捉した実質的に均一な電力レベルを維持するよう調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度は、前記供給源共振器の駆動電圧を変更することにより調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度は、前記供給源共振器の駆動電流を変更することにより調整される無線エネルギー伝達システム。
【請求項１８】
請求項９に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器及び前記装置共振器はＱ＞１００を有する無線エネルギー伝達システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、無線エネルギー伝達、当該伝達を達成する方法、システム、及び装置、並びに用途に関する。
【０００２】
本願は、それぞれの全体を参照により本明細書に援用する以下の米国特許出願：２０１１年６月６日付けで出願された米国特許出願第１３／１５４，１３１号、２０１１年８月３１日付けで出願された米国特許出願第１３／２２２，９１５号、及び２０１１年９月１４日付けで出願された米国特許出願第１３／２３２，８６８号の優先権を主張する。
【０００３】
以下の米国特許出願も全体を参照により本明細書に援用する：２０１０年５月２８付けで出願された米国特許出願第１２／７８９，６１１号、２０１０年４月２９日付けで出願された米国特許出願第１２／７７０，１３７号、２００９年４月２９日付けで出願された米国仮出願第６１／１７３，７４７号、２０１０年４月２６日付けで出願された米国特許出願第１２／７６７，６３３号、２００９年４月２４日付けで出願された米国仮出願第６１／１７２，６３３号、２０１０年４月１３日付けで出願された米国特許出願第１２／７５９，０４７号、２０１０年４月９日付けで出願された米国特許出願第１２／７５７，７１６号、２０１０年３月３０日付けで出願された米国特許出願第１２／７４９，５７１号、２００９年１２月１６日付けで出願された米国特許出願第１２／６３９，４８９号、２００９年１２月２８日付けで出願された米国特許出願第１２／６４７，７０５号、及び２００９年９月２５日付けで出願された米国特許出願第１２／５６７，７１６号。２００８年９月２７日付けで出願された米国仮出願第６１／１００，７２１号、２００８年１０月２７日付けで出願された米国仮出願第６１／１０８，７４３号、２００９年１月２６日付けで出願された米国仮出願第６１／１４７，３８６号、２００９年２月１２日付けで出願された米国仮出願第６１／１５２，０８６号、２００９年５月１５日付けで出願された米国仮出願第６１／１７８，５０８号、２００９年６月１日付けで出願された米国仮出願第６１／１８２，７６８号、２００８年１２月９日付けで出がされた米国仮出願第６１／１２１，１５９号、２００９年１月７日付けで出願された米国仮出願第６１／１４２，９７７号、２００９年１月６日付けで出願された米国特許出願第６１／１４２，８８５号、２００９年１月６日付けで出願された米国仮出願第６１／１４２，７９６号、２００９年１月６日付けで出願された米国仮出願第６１／１４２，８８９号、２００９年１月６日付けで出願された米国仮出願第６１／１４２，８８０号、２００９年１月６日付けで出願された米国仮出願第６１／１４２，８１８号、２００９年１月６日付けで出願された米国仮出願第６１／１４２，８８７号、２００９年３月２日付けで出願された米国仮出願第６１／１５６，７６４号、２００９年１月７日付けで出願された米国仮出願第６１／１４３，０５８号、２００９年３月２６日付けで出願された米国仮出願第６１／１６３，６９５号、２００９年４月２４日付けで出願された米国仮出願第６１／１７２，６３３号、２００９年４月１４日付けで出願された米国仮出願第６１／１６９，２４０号、２００９年４月２９日付けで出願された米国仮出願第６１／１７３，７４７号、２０１０年３月１０日付けで出願された米国特許出願第１２／７２１，１１８号、２０１０年２月１３日付けで出願された米国特許出願第１２／７０５，５８２号、２００９年２月１３日付けで出願された米国仮出願第６１／１５２，３９０号、２０１０年６月４日付けで出願された米国仮出願第６１／３５１，４９２号、及び２０１０年４月２０日付けで出願された米国仮出願第６１／３２６，０５１号。
【背景技術】
【０００４】
エネルギー又は電力は、例えば、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」という名称で米国特許公開第２０１０／０２３７７０９号として２０１０年９月２３日に公開された同一出願人による特許文献１、及び「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION」という名称で米国特許公開第２０１０／０１８１８４３号として２０１０年７月２２日に公開された特許文献２に詳述されている様々な技術を用いて、無線で伝達されることができ、上記出願の内容の全体を本明細書に完全に記載されるのと同様に援用する。従来技術の無線エネルギー伝達システムは、ユーザの安全性に関する懸念、低いエネルギー伝達効率、並びにエネルギー供給及びシンクコンポーネントに対する制限的な物理的近接／位置合わせの許容範囲を含む様々な要因によって制限されてきた。
【０００５】
機械的循環補助（ＭＣＳ）装置、心室補助装置（ＶＡＤ）、埋め込み型除細動装置（ＩＣＤ）等の埋め込み型装置は、長期間にわたる手術用の外部エネルギー源を必要とし得る。患者及び状況によっては、埋め込み装置には、一定又はほぼ一定の動作が必要であると共に外部電源への接続を必要とする相当の電力需要があり、これには経皮的ケーブル又は患者の皮膚を通して外部電源へ至るケーブルが必要であることで、感染の可能性を高めると共に患者の快適性を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１２／７８９，６１１号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１２／７２２，０５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、直接的なワイヤ接続を必要としない埋め込み型装置へのエネルギー伝達のための方法及び設計が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
種々のシステム及びプロセスが、種々の実施形態で、結合共振器を用いた無線エネルギー伝達を提供する。いくつかの実施形態では、共振器構造は、共振器のコンポーネントの熱管理を必要とするか又は熱管理が有用である。かかる実施形態の特徴は一般的であり、本明細書で論じる具体的な例とは関係なく広範囲の共振器に適用できる。
【０００９】
実施形態では、磁気共振器が、インダクタ及びキャパシタの何らかの組み合わせを備え得る。キャパシタ、インダクタ、抵抗、スイッチ等の付加的な回路素子を、磁気共振器と電源との間及び／又は磁気共振器と電力負荷との間に挿入してもよい。本開示では、共振器の高Ｑ誘導ループを備えた導電コイルは、インダクタ及び／又は誘導付加と称され得る。誘導付加は、他のシステム又は外部の物体に（相互インダクタンスによって）無線結合される場合にインダクタとも称され得る。本開示では、誘導付加以外の回路要素は、インピーダンス整合ネットワーク又はＩＭＮの一部と称され得る。インピーダンス整合ネットワークの一部と称する素子のうち磁気共振器の一部であるものが全部、一部、又は皆無であり得ることを理解されたい。どの素子が共振器の一部でありどれが共振器とは別個であるかは、具体的な共振器及び無線エネルギー伝達システム設計に応じて決まる。
【００１０】
実施形態では、本明細書に記載の無線エネルギー伝達を用いて、皮膚配線を通す必要なく電力を埋め込み装置に送ることができる。実施形態では、無線電力伝達を用いて、埋め込まれた充電式電池、スパーキャパシタ、又は他のエネルギー蓄積コンポーネントに対する給電及び充填を周期的又は連続的に行うことができる。
【００１１】
実施形態では、本明細書に記載の無線エネルギー伝達は、患者の内外にあり得る中継器共振器（repeater resonators）を用いて供給源共振器及び装置共振器の範囲及び許容オフセットを改善する。
【００１２】
実施形態では、供給源共振器及び装置共振器は、供給源及び装置の素子を調整することにより放熱及びエネルギー散逸を制御することができる。
【００１３】
別段の指示がない限り、本開示は、無線エネルギー伝達、無線電力伝達、無線電力伝送等の用語を交換可能に用いている。当業者であれば、様々なシステムアーキテクチャが本願に記載の広範囲の無線システム設計及び機能により支援され得ることを理解するであろう。
【００１４】
本明細書に記載の無線エネルギー伝達システムでは、電力を少なくとも２つの共振器間で無線交換することができる。共振器は、エネルギーを授受、保持、伝達、及び分配することができる。無線電力源は、供給源又は供給部（supplies）と称する場合があり、無線受電装置は、装置、レシーバ、及び電力負荷と称する場合がある。共振器は、供給源、装置、若しくは同時に両方であり得るか、又は制御下で機能によって異なり得る。電力供給部又はパワードレイン（power drain）に有線接続されていない、エネルギーを保持及び分配するよう構成した共振器は、中継器と称され得る。
【００１５】
本発明の無線エネルギー伝達システムの共振器は、共振器自体のサイズと比べて大きな距離にわたって電力を伝達することが可能である。すなわち、共振器のサイズが共振器構造を包囲し得る最小球の半径を特徴とする場合、本発明の無線エネルギー伝達システムは、共振器の特徴サイズよりも大きな距離にわたって電力を伝達することができる。このシステムは、共振器が異なる特徴サイズを有する場合、及び共振器の誘導素子が異なるサイズ、異なる形状、異なる材料構成等を有する場合の、共振器間でエネルギーを交換することが可能である。
【００１６】
本発明の無線エネルギー伝達システムは、結合領域、通電区域又は体積を有するものとして記載され得るが、これは、相互に離れた、相互から可変の距離を有し得る、相互に対して移動し得る共振体間でエネルギーが伝達され得ることを説明するためのものである。いくつかの実施形態では、エネルギーを伝達することができる区域又は体積を、アクティブフィールド区域又は体積と称する。さらに、無線エネルギー伝達システムは、電源、それぞれが電力負荷、又は両方に結合され得るか又はいずれにも結合されない３つ以上の共振器を備え得る。
【００１７】
無線供給されたエネルギーを用いて、電気機器又は電子機器に給電するか、電池を充電するか、又はエネルギー蓄積ユニットを充電することができる。複数の装置に同時に充電又は給電してもよく、又は１つ又は複数の装置が一定期間にわたり電力を受け取った後に送電を他の装置に切り替えることができるよう複数の装置への送電を連続化してもよい。種々の実施形態では、複数の装置が１つ又は複数の供給源からの電力を１つ又は複数の他の装置と同時に、又は時分割多重式に、若しくは周波数分割多重式に、若しくは空間分割多重式に、若しくは方向分割多重式に（in an orientation multiplexed manner）、若しくは時間、周波数、空間、及び方向分割多重の任意の組み合わせで共有することができる。複数の装置は、少なくとも１つの装置を無線電源として動作するよう連続的に、断続的に、周期的に、不定期に、又は一時的に再構成して、相互に電力を共有することができる。当業者であれば、本明細書に記載の技術及び用途に適用可能な、装置の給電及び／又は充電のための様々な方法があることを理解するであろう。
【００１８】
本開示は、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、変圧器、スイッチ等の特定の個々の回路コンポーネント及び素子、ネットワーク、トポロジ、回路等としてのこれらの素子の組み合わせ、及び物体全体に分布した（又は単に集中の対比として部分的に分布した）キャパシタンス又はインダクタンスを有する「自己共振」物体等の固有特性を有する物体に言及する。当業者であれば、回路又はネットワーク内の可変コンポーネントの調整及び制御で、その回路又はネットワークの性能を調整できること、及びそれらの調整が概してチューニング、調整、整合、補正等として記載され得ることを理解するであろう。無線電力伝達システムの動作点をチューニング又は調整するための他の方法は、単独で、又はインダクタ及びキャパシタ、又はインダクタ及びキャパシタのバンク等のチューナブルコンポーネントを調整することに加えて用いることができる。当業者であれば、本開示で述べる特定のトポロジを様々な他の方法で実施できることを認識するであろう。
【００１９】
別段の規定がない限り本明細書で用いる全ての技術用語及び科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本参照により本明細書において言及又は援用した公報、特許出願、特許、及び他の参考文献との矛盾がある場合、定義を含め本明細書が優先される。
【００２０】
上述の特徴のいずれも、本開示の範囲から逸脱せずに単独で又は組み合わせて用いることができる。本明細書に開示されるシステム及び方法の他の特徴、目的、及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】無線エネルギー伝達構成のシステムブロック図である。
【図２Ａ】単純な共振器構造の例示的な構造及び概略図である。
【図２Ｂ】単純な共振器構造の例示的な構造及び概略図である。
【図２Ｃ】単純な共振器構造の例示的な構造及び概略図である。
【図２Ｄ】単純な共振器構造の例示的な構造及び概略図である。
【図２Ｅ】単純な共振器構造の例示的な構造及び概略図である。
【図３】シングルエンド増幅器を有する無線源のブロック図である。
【図４】差動増幅器を有する無線源のブロック図である。
【図５Ａ】検知回路のブロック図である。
【図５Ｂ】検知回路のブロック図である。
【図６Ａ】無線源のブロック図である。
【図６Ｂ】無線源のブロック図である。
【図６Ｃ】無線源のブロック図である。
【図７】増幅器のパラメータに対するデューティサイクルの効果を示すプロットである。
【図８】スイッチング増幅器を有する無線電源の簡易回路図である。
【図９】無線電源のパラメータの変更の効果のプロットを示す。
【図１０】無線電源のパラメータの変更の効果のプロットを示す。
【図１１Ａ】無線電源のパラメータの変更の効果を示すプロットである。
【図１１Ｂ】無線電源のパラメータの変更の効果を示すプロットである。
【図１１Ｃ】無線電源のパラメータの変更の効果を示すプロットである。
【図１２】無線電源のパラメータの変更の効果のプロットを示す。
【図１３】スイッチング増幅器及び無線電力装置を有する無線電源を備えた無線エネルギー伝達システムの簡易回路図である。
【図１４】無線電源のパラメータの変更の効果のプロットを示す。
【図１５】磁性材料タイル間の不規則な間隔に起因して生じ得る不均一な磁場分布を示す共振器の図である。
【図１６】磁性材料ブロック内のホットスポットを低減することができる磁性材料ブロックのタイルの配置を有する共振器である。
【図１７Ａ】小さな個別タイルを備えた磁性材料ブロックを有する共振器である。
【図１７Ｂ】熱管理に用いる熱伝導材料の追加ストリップを有する共振器である。
【図１７Ｃ】熱管理に用いる熱伝導材料の追加ストリップを有する共振器である。
【図１８】無線エネルギー源及び装置を有する手術用ロボット及び病院ベッドの実施形態である。
【図１９】無線エネルギー源及び装置を有する手術用ロボット及び病院ベッドの実施形態である。
【図２０Ａ】無線エネルギー伝達共振器を有する医療用カートである。
【図２０Ｂ】無線エネルギー伝達共振器を有するコンピュータカートである。
【図２１Ａ】埋め込み型装置用の無線電力伝達システムのブロック図である。
【図２１Ｂ】埋め込み型装置用の無線電力伝達システムのブロック図である。
【図２２Ａ】埋め込み型装置用の無線エネルギー伝達の供給源及び装置の構成を示す図である。
【図２２Ｂ】埋め込み型装置用の無線エネルギー伝達の供給源及び装置の構成を示す図である。
【図２２Ｃ】埋め込み型装置用の無線エネルギー伝達の供給源及び装置の構成を示す図である。
【図２２Ｄ】埋め込み型装置用の無線エネルギー伝達の供給源及び装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
上述のように、本開示は、結合電磁共振器を用いた無線エネルギー伝達に関する。しかしながら、かかるエネルギー伝達は、電磁共振器に限定されず、本明細書に記載の無線エネルギー伝達システムは、より一般的であり、多種多様な共振器及び共振体を用いて実施することができる。
【００２３】
当業者には認識されるように、共振器ベースの電力伝達に関して重要な考慮事項として、共振器効率及び共振器結合が挙げられる。かかる問題、例えば結合モード理論（ＣＭＴ）、結合定数及び結合係数、品質係数（Ｑ係数とも称する）、及びインピーダンス整合の広範囲にわたる議論が、例えば、２０１０年９月２３日に米国特許出願第２０１０／０２３７７０９号としてとして公開された「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」と題する米国特許出願第１２／７８９，６１１号、及び２０１０年７月２２日に米国特許出願第２０１０／０１８１８４３号として公開された「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION」と題する米国特許出願第１２／７２２，０５０号で提供されており、上記出願の全体を本明細書に完全に記載されるのと同様に援用する。
【００２４】
共振器は、エネルギーを少なくとも２つの異なる形態で蓄積できる共振構造として定義することができ、そこで、蓄積されたエネルギーは２つの形態間で変動する。共振構造は、共振（モーダル）周波数ｆ及び共振（モーダル）場を有する特定の振動モードを有する。角共振周波数ωは、ω＝２πｆと定義することができ、共振周期Ｔは、Ｔ＝１／ｆ＝２π／ωと定義することができ、共振波長λは、λ＝ｃ／ｆと定義することができ、式中、ｃは関連する場の波（電磁共振器に関しては光）の速度である。損失機構、結合機構、又は外部エネルギー供給若しくは排出機構がない場合、共振器Ｗによって蓄積されるエネルギーの総量は一定のままであるが、エネルギーの形態は、その共振器が支援する２つの形態間で変動し、一方の形態が最大である場合に他方は最小であり、逆もまた同様である。
【００２５】
例えば、共振器は、蓄積されたエネルギーの２つの形態が磁気エネルギー及び電気エネルギーであるように構成され得る。さらに、共振器は、電場により蓄積された電気エネルギーが構造内に主に閉じ込められる一方で、磁場により蓄積された磁気エネルギーが共振器を囲む領域に主にあるように構成され得る。換言すれば、総合した電気及び磁気エネルギーは等しいが、それらの局所化は異なり得る。かかる構造を用いると、少なくとも２つの構造間でのエネルギー交換が、少なくとも２つの共振器の共振近傍磁界により仲介され得る。これらのタイプの共振器は、磁気共振器と称することができる。
【００２６】
無線電力伝達システムで用いられる共振器の重要なパラメータは、共振器の品質係数すなわち「Ｑ係数」、すなわち「Ｑ」であり、これはエネルギー減衰を特性化し、共振器のエネルギー損失に反比例するものである。これは、Ｑ＝ω×Ｗ／Ｐと定義することができ、式中、Ｐは定常状態で失われる時間平均電力である。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、比較的長時間にわたってエネルギーを蓄積することができる。共振器は、その固有の減衰率２Γでエネルギーを失うので、その固有のＱとも称するそのＱは、Ｑ＝ω／２Γによって与えられる。品質係数は、振動周期数Ｔも表し、共振器内のエネルギーがe−２πだけ減衰するのにかかる時間である。共振器の品質係数又は固有品質係数すなわちＱは、固有の損失機構のみに起因することに留意されたい。発電機ｇ又は負荷ｌに接続又は結合した共振器のＱは、「負荷品質係数（loaded quality factor）」又は「負荷Ｑ」と呼ばれ得る。エネルギー伝達システムの一部であることが意図されない外部の物体の存在下での共振器のＱは、「摂動品質係数（perturbed quality factor）」又は「摂動Ｑ」と呼ばれ得る。
【００２７】
近距離場の任意の部分を介して結合された共振器は、相互作用してエネルギーを交換することができる。このエネルギー伝達の効率は、共振器が実質的に同じ共振周波数で動作する場合に大幅に高めることができる。限定ではなく例として、Ｑｓを有する供給源共振器、及びＱｄを有する装置共振器を想定する。高Ｑ無線エネルギー伝達システムは、高Ｑである共振器を利用し得る。各共振器のＱが高い場合がある。共振器Ｑの幾何平均
【数１】
2014522218.tif 000003
が同様に又は代わりに高い場合がある。
【００２８】
結合係数ｋは、０≦｜ｋ｜≦１の間の数であり、これは、供給源共振器及び装置共振器がサブ波長距離に置かれている場合にそれらの共振周波数とは無関係（又はほぼ無関係）であり得る。むしろ、結合係数ｋは、供給源共振器及び装置共振器の結合を仲介する場の物理的な減衰の法則を考慮した場合の両者間の相対的な幾何学的形状及び距離により主に決定され得る。ＣＭＴで用いられる結合定数
【数２】
2014522218.tif 000004
は、共振器構造の他の特性と同様に、共振周波数の強関数であり得る。共振器の近距離場を利用する無線エネルギー伝達の用途では、放射により失われる電力を減らすように共振器のサイズを共振波長よりもはるかに小さくすることが望ましい。いくつかの実施形態では、高Ｑ共振器は、サブ波長構造である。いくつかの電磁的な実施形態では、高Ｑ共振器構造は、１００ｋＨｚよりも高い共振周波数を有するよう設計される。他の実施形態では、共振周波数は１ＧＨｚ未満であり得る。
【００２９】
例示的な実施形態では、これらのサブ波長共振器により遠距離場に放射される電力は、共振器の共振周波数及びシステムの動作周波数を低下させることによりさらに減らすことができる。他の実施形態では、遠距離場放射は、１つ以上の共振器の遠距離場が遠距離場において弱め合う干渉を起こすようにすることにより減らすことができる。
【００３０】
無線エネルギー伝達システムでは、共振器は、無線エネルギー源、無線エネルギー捕捉装置、中継器又はそれらの組み合わせとして用いることができる。実施形態では、共振器は、エネルギーの伝達、エネルギーの受信、又はエネルギーの中継を交互に行うことができる。無線エネルギー伝達システムでは、１つ又は複数の磁気共振器がエネルギー源に結合されて通電されることで振動近接磁場を生成することができる。振動近接磁場内にある他の共振器は、これらの場を捕捉してそのエネルギーを電気エネルギーに変換し、電気エネルギーが負荷への給電又は充電に用いられることにより有用なエネルギーの無線伝達を可能にする。
【００３１】
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、許容可能なレートで給電又は充電するために装置に送らなければならないエネルギー又は電力である。有用なエネルギー交換に対応する伝達効率は、システム又は用途に依存し得る。例えば、何キロワットもの電力を伝達する高出力車両充電用途は、伝達システムの種々のコンポーネントを著しく加熱することなく車両用電池を充電するのに十分な有用なエネルギー交換となる有用な量の電力を供給するために、少なくとも８０％の効率である必要があり得る。いくつかの家庭用電化製品用途では、有用なエネルギー交換は、１０％を超える任意のエネルギー伝達効率、又は充電式電池を「満タン」に維持し且つ長時間動作させ続けるために許容可能な任意の他の量を含み得る。埋め込み医療装置用途では、有用なエネルギー交換は、患者に害を与えないが電池の寿命を延ばすか又はセンサ若しくはモニタ若しくは刺激装置を起動する任意の交換であり得る。かかる用途では、１００ｍＷ以下の電力が有用であり得る。分散検知用途では、マイクロワットの電力伝達が有用である場合があり、伝達効率は１％を大きく下回り得る。
【００３２】
給電又は充電用途における無線エネルギー伝達に有用なエネルギー交換は、浪費エネルギーレベル、放熱、及び関連する場の強度が許容限度内にあり、費用、重量、サイズ等の関連因子と適切にバランスが取れている限り、効率的、非常に効率的、又は十分に効率的であり得る。
【００３３】
共振器は、供給源共振器、装置共振器、第１共振器、第２共振器、中継器共振器等と称され得る。実施態様は３つ以上の共振器を含み得る。例えば、単一の供給源共振器は、エネルギーを複数の装置共振器又は複数の装置へ伝達し得る。エネルギーは、第１装置から第２装置へ、次に第２装置から第３装置へ、等と伝達され得る。複数の供給源は、エネルギーを単一の装置へ、又は単一の装置共振器に接続された複数の装置へ、又は複数の装置共振器に接続された複数の装置へ伝達し得る。共振器は、交互に又は同時に供給源、装置として働くことができ、且つ／又は共振器を用いてある場所の供給源から別の場所の装置へ電力を中継することができる。中間電磁共振器を用いて、無線エネルギー伝達システムの距離範囲を拡張し且つ／又は集中近接磁場区域を生成することができる。複数の共振器は、共にデイジーチェーン接続されて、延長された距離にわたって広範な供給源及び装置とエネルギーを交換する。例えば、供給源共振器は、複数の中継器共振器を介して電力を装置共振器へ伝達し得る。供給源からのエネルギーは第１中継器共振器へ伝達することができ、第１中継器共振器は電力を第２中継器共振器へ、第２の中継器共振器は第３の中継器共振器へ伝達することができ、最後の中継器共振器がそのエネルギーを装置共振器へ伝達するまで以下同様である。この点で、無線エネルギー伝達の範囲及び距離は、中継器共振器を追加することにより延長及び／又は調整することができる。高電力レベルは、複数の供給源間で分割され、複数の装置へ伝達され、遠隔の場所で再結合され得る。
【００３４】
共振器は、結合モード理論モデル、回路モデル、電磁場モデル等を用いて設計され得る。共振器は、チューナブル特徴サイズを有するよう設計され得る。共振器は、種々の電力レベルを扱うよう設計され得る。例示的な実施形態では、高出力共振器は、低出力共振器よりも大きな導体及び高い電流又は電圧の定格コンポーネントを必要とし得る。
【００３５】
図１は、無線エネルギー伝達システムの例示的な構成及び配置の概略図を示す。無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源１０２及び任意にセンサ兼制御装置１０８に結合した少なくとも１つの供給源共振器（Ｒ１）１０４（任意にＲ６、１１２）を含み得る。エネルギー源は、供給源共振器１０４の駆動に用いることができる電気エネルギーに変換可能な任意のタイプのエネルギー源であり得る。エネルギー源は、電池、太陽電池パネル、送電線（electric mains）、風力又は水力タービン、電磁共振器、発電機等であり得る。磁気共振器の駆動に用いられる電気エネルギーは、共振器により振動磁場に変換される。振動磁場は、任意にエネルギードレイン１１０に結合した装置共振器（Ｒ２）１０６、（Ｒ３）１１６であり得る他の共振器によって捕捉され得る。振動磁場は、無線エネルギー伝達領域を延長又は調整するよう構成した中継器共振器（Ｒ４、Ｒ５）に任意に結合され得る。装置共振器は、供給源共振器（単数又は複数）、中継器共振器、及び他の装置共振器に近接した磁場を捕捉し、それらを、エネルギードレインにより用いられ得る電気エネルギーに変換し得る。エネルギードレイン１１０は、電気エネルギーを受信するよう構成した電気装置、電子装置、機械装置又は化学装置等であり得る。中継器共振器は、供給源、装置、及び中継器共振器（単数又は複数）に近接した磁場を捕捉することができ、そのエネルギーを他の共振器へ渡すことができる。
【００３６】
無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源１０２に結合した単一の供給源共振器１０４及びエネルギードレイン１１０に結合し単一の装置共振器１０６を含み得る。実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、１つ又は複数のエネルギー源に結合した複数の供給源共振器を含むことができ、１つ又は複数のエネルギードレインに結合した複数の装置共振器を含むことができる。
【００３７】
実施形態では、エネルギーは、供給源共振器１０４と装置共振器１０６との間で直接伝達され得る。他の実施形態では、エネルギーは、１つ又は複数の供給源共振器１０４、１１２から１つ又は複数の装置共振器１０６、１１６へ、装置共振器、供給源共振器、中継器共振器等であり得る任意の数の中間共振器を介して伝達され得る。エネルギーは、トークンリング、メッシュ、アドホック等のトポロジの任意の組み合わせで配置したサブネットワーク１１８、１２０を含み得るネットワーク又は共振器１１４の配置を介して伝達され得る。
【００３８】
実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、集中型の検出兼制御システム１０８を含み得る。実施形態では、共振器のパラメータ、エネルギー源、エネルギードレイン、ネットワークトポロジ、動作パラメータ等が制御プロセッサから監視及び調整されて、システムの特定の動作パラメータを満たす。中央制御プロセッサは、システムの個々のコンポーネントのパラメータを調整して、大域的なエネルギー伝達効率の最適化、伝達する電力量の最適化等を行う。他の実施形態は、実質的に分散型の検出兼制御システムを有するよう設計され得る。検出及び制御は、各共振器又は共振器群、エネルギー源、エネルギードレイン等に組み込むことができ、送られた電力の最大化、その群内のエネルギー伝達効率の最大化等を行うために群内の個々のコンポーネントのパラメータを調整するよう構成され得る。
【００３９】
実施形態では、無線エネルギー伝達システムのコンポーネントは、装置、供給源、中継器、電源、共振器等の他のコンポーネントに対する無線又は有線データ通信リンクを有することができ、分散型又は集中型の検出及び制御を可能にするために用いることができるデータを送受信することができる。無線通信チャネルは、無線エネルギー伝達チャネルとは別個であってもよく、又は同一であってもよい。一実施形態では、電力交換に用いられる共振器を情報の交換に用いることもできる。場合によっては、情報は、供給源又は装置の回路内のコンポーネントをチューニングすること、及びポートパラメータ又は他の監視機器でその変化を検出することにより交換され得る。共振器は、システム内の他の共振器の反射インピーダンスに影響し得る共振器のインピーダンス等の共振器パラメータの調整、変更、変化、ディザリング等により、相互に信号を伝えることができる。本明細書に記載のシステム及び方法は、無線電力伝達システム内の共振器間での電力及び通信信号の同時伝送を可能にし得るか、又は無線エネルギー伝達中に用いられる同じ磁場を用いて異なる期間中に若しくは異なる周波数で電力及び通信信号の伝送を可能にし得る。他の実施形態では、無線通信は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、赤外線等の別個の無線通信チャネルで可能であり得る。
【００４０】
実施形態では、無線エネルギー伝達システムは複数の共振器を含むことができ、全体的なシステム性能は、システム内の種々の素子の制御により改善することができる。例えば、所要電力が小さな装置は、その共振周波数を、所要電力が大きな装置に電力を供給する高電源の共振周波数から離すことができる。このようにして、低電力装置及び高電力装置は、安全に動作するか又は単一の高電源から充電されることができる。さらに、充電域内の複数の装置は、先着順サービス、ベストエフォート型、保証電力（Guaranteed Power）等の様々な消費制御アルゴリズムのいずれかに従って調節された利用可能な電力を見付けることができる。電力消費アルゴリズムは、本来は階層的であり特定のユーザ又は装置タイプに優先権を与えてもよく、又は供給源内で利用可能な電力を等分することにより任意の数のユーザを支援してもよい。電力は、本開示に記載の多重化技術のいずれかにより共有され得る。
【００４１】
実施形態では、形状、構造、及び構成の組み合わせを用いて電磁共振器を実現又は実施することができる。電磁共振器は、誘導素子、分布インダクタンス、又は総インダクタンスＬを有するインダクタンスの組み合わせ、及び容量性素子、分布キャパシタンス、又は総キャパシタンスＣを有するキャパシタンスの組み合わせを含み得る。キャパシタンス、インダクタンス、及び抵抗を含む電磁共振器の最小回路モデルを図２Ｆに示す。共振器は、誘導素子２３８及び容量性素子２４０を含み得る。キャパシタ２４０に蓄積した電場エネルギー等の初期エネルギーが提供されると、システムは、キャパシタが伝達エネルギーをインダクタ２３８に蓄積した磁場エネルギーに放出する際に振動し、インダクタ２３８はさらに、エネルギーをキャパシタ２４０に蓄積した電場エネルギーに伝達し戻す。これらの電磁共振器における固有損失は、誘導素子及び容量性素子における抵抗と放射損失とに起因する損失を含み、図２Ｆに抵抗Ｒ２４２で表される。
【００４２】
図２Ａは、例示的な磁気共振器構造の簡易図を示す。磁気共振器は、導体ループの端で誘導素子２０２及び容量性素子２０４として働く導体のループを含み得る。電磁共振器のインダクタ２０２及びキャパシタ２０４はバルク回路素子であり得るか、又はインダクタンス及びキャパシタンスを分布させることができ、導体が構造内で形成、整形、又は位置決めされる方法から得ることができる。
【００４３】
例えば、インダクタ２０２は、図２Ａに示すように、表面区域を囲むように導体を成形することによって実現され得る。このタイプの共振器は、容量性負荷ループインダクタと称され得る。「ループ」又は「コイル」という用語を用いて、任意の回転数で任意の形状及び寸法の表面を囲む導電構造（線、管、ストリップ等）を概して示す場合があることに留意されたい。図２Ａでは、囲まれた表面区域が円形であるが、表面は多種多様な他の形状及びサイズのいずれであってもよく、特定のシステム性能仕様を達成するよう設計することができる。実施形態では、インダクタンスは、インダクタ素子、分布インダクタンス、ネットワーク、アレイ、インダクタ及びインダクタンスの直列及び並列の組み合わせ等を用いて実現され得る。インダクタンスは、固定又は可変とすることができ、インピーダンス整合及び共振周波数動作条件を変えるために用いることができる。
【００４４】
共振器構造に対する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様々な方法がある。キャパシタプレート２０４を図２Ａに示すように形成されて利用することができるか、又はキャパシタンスをマルチループ導体の隣接巻線間で分布させて実現することができる。キャパシタンスは、キャパシタ素子、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及び並列の組み合わせ等を用いて実現され得る。キャパシタンスは、固定又は可変とすることができ、インピーダンス整合及び共振周波数動作条件を変えるために用いることができる。
【００４５】
磁気共振器で用いられる誘導素子は、２つ以上のループを含むことができ、内方若しくは外方へ又は上方若しくは下方へ又はいくつかの方向の組み合わせで螺旋状になり得る。概して、磁気共振器は、様々な形状、サイズ、及び巻数を有することができ、様々な導体材料から構成することができる。例えば、導体２１０は、線、リッツ線、リボン、パイプ、導電性インク、ペンキ、ジェル等から形成されたトレース、又は回路板上に印刷された単一若しくは複数のトレースから形成されたトレースであり得る。誘導ループを形成する基板２０８上のトレースパターンの例示的な実施形態を図２Ｂに示す。
【００４６】
実施形態では、誘導素子は、任意のサイズ、形状、厚さ等の磁性材料を用いて形成することができ、且つ広範な透磁率及び損失値を有する材料からなり得る。これらの磁性材料は、中実ブロックとすることができ、中空体積を囲むことができ、並べて敷設及び／又は上下に積層された多数の小さな磁性材料片から形成することができ、且つ高導電性材料から作られた導電性シート又は筐体と一体化することができる。導体を磁性材料に巻き付けて磁場を生成することができる。これらの導体は、構造の１つ又は複数の軸に巻き付けることができる。複数の導体を磁性材料に巻き付け、並列又は直列で又はスイッチを介して結合して、カスタマイズされた近接場パターンを形成し且つ／又は構造の双極子モーメントを配向することができる。磁性材料を含む共振器の例を図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅに示す。図２Ｄでは、共振器は、磁性材料２２２のコアに巻き付けた導体ループ２２４を含み、これは導体ループ２２４の軸と平行な磁気双極子モーメント２２８を有する構造を作る。共振器は、磁性材料２１４に直交方向に巻き付けた複数の導体ループ２１６、２１２を含んで、導体の駆動の仕方に応じて図２Ｃに示すように２つ以上の方向に向き得る磁気双極子モーメント２１８、２２０を有する共振器を形成することができる。
【００４７】
電磁共振器は、その物理的特性により決まる特性周波数、固有周波数、又は共振周波数を有し得る。この共振周波数は、共振器により蓄積されたエネルギーが、共振器の電場ＷＥ（ＷＥ＝ｑ２／２Ｃ、式中、ｑはキャパシタＣ上の電荷である）により蓄積されたエネルギーと磁場ＷＢ（ＷＢ＝Ｌｉ２／２、式中、ｉはインダクタＬを流れる電流である）により蓄積されたエネルギーとの間で変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、共振器の特性周波数、固有周波数、又は共振周波数と呼ぶことができ、ωによって与えられる。
【数３】
2014522218.tif 000005
振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスＬ、及び／又はキャパシタンスＣをチューニングすることにより変更することができる。一実施形態では、システムパラメータは、最適な動作条件にできる限り近付けるために動的に調整可能又はチューニング可能である。しかしながら、上述の説明に基づき、いくつかのシステムパラメータが可変でないか又はコンポーネントが動的に調整不可能である場合でさえ、十分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。
【００４８】
実施形態では、共振器は、キャパシタ及び回路素子のネットワークに配置した２つ以上のキャパシタに結合した誘導素子を備え得る。実施形態では、キャパシタ回路素子の結合ネットワークを用いて、共振器の２つ以上の共振周波数を規定することができる。実施形態では、共振器は、２つ以上の周波数で共振又は部分的に共振し得る。
【００４９】
実施形態では、無線電源は、電力供給部に結合した少なくとも１つの共振器コイルを備えることができ、これは、Ｄ級増幅器又はＥ級増幅器又はそれらの組み合わせ等のスイッチング増幅器であり得る。この場合、共振器コイルは、事実上は電力供給部に対する電力負荷である。実施形態では、無線電源装置は、電力負荷に結合した少なくとも１つの共振器コイルで構成することができ、電力負荷は、Ｄ級整流器又はＥ級整流器又はそれらの組み合わせ等のスイッチング整流器であり得る。この場合、共振器コイルは、事実上は電力負荷に対する電力供給部であり、その負荷のインピーダンスは、共振器コイルからの負荷の動作対排出率（work-drainage rate）にも直接関係する。電力供給部と電力負荷との間の送電効率は、電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の程度厳密に一致しているかにより影響され得る。電力は、負荷の入力インピーダンスが電力供給部の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限の効率で負荷に送られ得る。最大の送電効率を得るための電力供給部又は電力負荷の設計は、「インピーダンス整合」と呼ばれることが多く、システムにおける有用電力対損失電力の比の最適化とも称され得る。インピーダンス整合は、電力供給部と電力負荷との間にインピーダンス整合ネットワークを形成するために、キャパシタ、インダクタ、変圧器、スイッチ、抵抗等のネットワーク又は素子の組を追加することにより行われ得る。実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整及び変更を用いて、インピーダンス整合を達成することができる。変化する負荷に対して、インピーダンス整合ネットワークは、負荷に面した電力供給端子におけるインピーダンス及び電力供給部の特性インピーダンスが、動的環境及び動作シナリオにおいてさえ実質的に相互の複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含み得る。
【００５０】
実施形態では、インピーダンス整合は、電力供給部の駆動信号のデューティサイクル及び／又は位相及び／又は周波数をチューニングすることにより、又はキャパシタ等の電力供給部内の物理的コンポーネントをチューニングすることにより達成することができる。かかるチューニング機構が有利であり得る理由は、チューナブルインピーダンス整合ネットワークを用いずに、又は例えばより少ないチューナブルコンポーネントを有するもの等の簡略化したチューナブルインピーダンス整合ネットワークを用いて、電力供給部と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るからである。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル及び／又は周波数及び／又は位相を電力供給部に同調すると、拡張した同調範囲又は精度で、より高い電力、電圧及び／又は電流能力、より高速な電子制御、より少ない外部コンポーネント等を備えた動的インピーダンス整合システムを得ることができる。
【００５１】
無線エネルギー伝達システムによっては、インダクタンス等の共振器のパラメータは、周囲の物体、温度、向き、他の共振器の数及び位置等の環境条件に影響され得る。共振器の動作パラメータの変更は、無線エネルギー伝達における送電効率等の特定のシステムパラメータを変更し得る。例えば、共振器の近くに位置する高伝導性材料は、共振器の共振周波数をシフトし、他の共振体からそれを離調し得る。いくつかの実施形態では、リアクタンス素子（例えば、誘導素子又は容量性素子）を変更することによりその周波数を補正する共振器フィードバック機構が採用される。許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少なくともいくつかが動的に調整可能又はチューニング可能である必要があり得る。ほぼ最適な動作条件を達成するために、全てのシステムパラメータが動的に調整可能又はチューニング可能であり得る。しかしながら、全部の又はいくつかのシステムパラメータが可変でなくても、十分に効率的なエネルギー交換を実現することができる。いくつかの例では、装置の少なくともいくつかが動的に調整され得ない。いくつかの例では、供給源の少なくともいくつかが動的に調整され得ない。いくつかの例では、中間共振器の少なくともいくつかが動的に調整され得ない。いくつかの例では、どのシステムパラメータも動的に調整され得ない。
【００５２】
いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータの変更は、動作環境又は動作点が変わると、補足的な又は逆の方途又は方向に変わる特性を有するコンポーネントを選択することにより軽減することができる。実施形態では、システムは、温度、電力レベル、周波数等に起因する逆依存（opposite dependence）又はパラメータ変動を有するキャパシタ等のコンポーネントを用いて設計され得る。いくつかの実施形態では、温度の関数としてのコンポーネント値をシステムマイクロコントローラ内のルックアップテーブルに記憶させることができ、温度センサからの読出しをシステム制御フィードバックループで用いて、温度によって誘発されたコンポーネント値の変化を補償するように他のパラメータを調整することができる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータ値の変化が、チューナブルコンポーネントを含む能動同調回路で補償され得る。コンポーネント及びシステムの動作環境及び動作点を監視する回路を設計に組み込むことができる。監視回路は、コンポーネントのパラメータの変化を能動的に埋め合わせるために必要な信号を提供することができる。例えば、温度の読みを用いて、システムのキャパシタンスで予測される変化を計算するか、又は当該キャパシタンスの以前に測定された値を示して、ある温度範囲にわたって所望のキャパシタンスを維持するための他のキャパシタ又はチューニングキャパシタの切り替えによる補償を可能にする。実施形態では、ＲＦ増幅器スイッチング波形が、システム内のコンポーネント値又は負荷変化を補償するよう調整され得る。いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータの変化は、能動冷却、加熱、能動環境調整等を用いて補償され得る。
【００５４】
パラメータ測定回路は、システム内の特定の電力、電圧、及び電流、信号を測定又は監視することができ、プロセッサ又は制御回路は、それらの測定値に基づいて特定の設定又は動作パラメータを調整することができる。さらに、システム全体における電圧信号及び電流信号の振幅及び位相、並びに電力信号の振幅にアクセスして、システム性能を測定又は監視することができる。本開示を通して言及する測定信号は、電圧信号、電流信号、電力信号、温度信号等だけでなくポートパラメータ信号の任意の組み合わせであり得る。これらのパラメータは、アナログ及びデジタル技術を用いて測定することができ、サンプリング及び処理することができ、且ついくつかの既知のアナログ及びデジタル処理技術を用いてデジタル化又は変換することができる。実施形態では、特定の測定量の既定値がシステムコントローラ又は記憶場所にロードされ、種々のフィードバック及び制御ループで用いられる。実施形態では、測定された信号、監視された信号、及び／又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又はシステムで用いて、共振器及び／又はシステムの動作を制御することができる。
【００５５】
調整アルゴリズムを用いて、磁気共振器の周波数Ｑ及び／又はインピーダンスを調整することができる。このアルゴリズムは、システムに対する所望の動作点からの逸脱度に関する基準信号を入力として受け取ることができ、システムの可変又はチューナブル素子を制御するその逸脱に関する補正又は制御信号を出力して、システムを所望の動作点に戻すことができる。磁気共振器用の基準信号は、共振器が無線送電システム内で電力を交換している間に取得され得るか、又はシステム動作中に回路外で交換され得る。システムに対する補正は、継続的に、定期的に、閾値超過時に、デジタルで、アナログ方式等を用いて、適用又は実施され得る。
【００５６】
実施形態では、損失性の（lossy）異物及び外部の物体が、無線送電システムの共振器の磁気エネルギー及び／又は電気エネルギーを吸収することにより効率低下の可能性を導入し得る。これらの影響は、損失性の異物及び外部の物体の影響を最小化するように共振器を位置決めすることにより、また構造的な場整形素子（例えば、導電性の構造、板、及びシート、磁性材料の構造、板、及びシート、並びにそれらの組み合わせ）をそれらの効果を最小化するように配置することにより、種々の実施形態で軽減することができる。
【００５７】
損失性の材料の共振器への影響を低下させる１つの方法は、高伝導性材料、磁性材料、又はそれらの組み合わせを用いて、それらが損失性物体を回避するように共振器場を整形することである。例示的な実施形態では、高伝導性材料及び磁性材料の層状構造が、共振器の電磁場を偏向させることによりそれらに近接した損失性物体を回避するように、その電磁場の調整、整形、配向、再配向等を行い得る。図２Ｄは、磁性材料の下に導体シート２２６を有する共振器の上面図を示し、磁性材料を用いて、導体シート２２６の下にあり得る損失性物体を回避するように共振器の場を調整することができる。良導体層又はシート２２６は、所与の用途に最も適している可能性があるので、銅、銀、アルミニウム等の任意の高伝導性材料を含み得る。特定の実施形態では、良導体層又はシートは、共振器の動作周波数において導体の表皮深さよりも厚い。導体シートは、好ましくは、共振器のサイズよりも大きく、共振器の物理的範囲を超えて延在し得る。
【００５８】
電送量がアクティブフィールド体積に侵入し得る人又は動物に対して危害を及ぼす可能性がある環境及びシステムでは、安全対策がシステムに含まれ得る。電力レベルが詳細な安全対策を必要とする環境では、共振器のパッケージング、構造、材料等が磁気共振器内の誘導ループからの間隔又は「隔離」域を提供するよう設計され得る。さらなる保護を提供するために、高Ｑ共振器並びに電力及び制御回路を筐体内に位置付けることができ、筐体は、高い電圧又は電流を筐体内に制限し、共振器及び電気コンポーネントを天候、湿度、砂、埃、及び他の外部要素、並びに衝突、振動、擦れ、爆発、及び他のタイプの機械的衝撃から保護する。かかる筐体は、電気コンポーネント及び共振器に対する許容可能な動作温度範囲を維持するための熱散逸等の種々の要因に対する注意を必要とする。実施形態では、筐体は、複合材料、プラスチック、木材、コンクリート等の非損失性材料で構成することができ、筐体を用いて損失性物体からの最小距離を共振器コンポーネントに提供することができる。損失性物体から又は金属物、塩水、油等を含み得る環境からの最小分離距離が、無線エネルギー伝達の効率を向上させることができる。実施形態では、「隔離」域を用いて、共振器又は共振器のシステムの摂動Ｑを増加させることができる。実施形態では、最小分離距離は、より確実な、又はより一定の共振器の動作パラメータを提供し得る。
【００５９】
実施形態では、共振器並びに各自のセンサ及び制御回路が、他の電子及び制御システム及びサブシステムと種々のレベルで一体化され得る。いくつかの実施形態では、電力及び制御回路と装置共振器とは、既存のシステムに最小限に一体化した完全に別個のモジュール又は筐体であり、電力出力及び制御兼診断インタフェースを提供する。いくつかの実施形態では、装置は、共振器及び回路アセンブリを筐体内の空洞に収容するよう構成されるか、又は装置のハウジング又は筐体に組み込まれる。
【００６０】
共振器回路例
図３及び図４は、無線エネルギー伝達システムの例示的な供給源のための発電、監視、及び制御コンポーネントを示す高レベルブロック図である。図３は、ハーフブリッジスイッチング電力増幅器と関連の測定、チューニング、及び制御回路のいくつかとを備えた供給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の測定、チューニング、及び制御回路のいくつかとを備えた供給源のブロック図である。
【００６１】
図３に示すハーフブリッジシステムトポロジは、制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットを備え得る。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等であり得る。処理ユニットは、単一の装置であっても装置のネットワークであってもよい。制御アルゴリズムは、処理ユニットの任意の部分で実行することができる。アルゴリズムは、特定用途向けにカスタマイズすることができ、アナログ回路及びアナログ信号とデジタル回路及びデジタル信号との組み合わせを含み得る。マスタアルゴリズムは、電圧信号及び電圧レベル、電流信号及び電圧レベル、信号位相、デジタルカウント設定等を測定及び調整することができる。
【００６２】
システムは、無線通信回路３１２に結合した任意の供給源／装置及び／又は供給源／他の共振器通信コントローラ３３２を備え得る。任意の供給源／装置及び／又は供給源／他の共振器通信コントローラ３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行する同一の処理ユニットの一部であってもよく、マイクロコントローラ３０２内の一部又は回路であってもよく、無線送電モジュールの外部にあってもよく、有線式又は電池式の給電用途で用いる通信コントローラと実質的に類似しているが無線送電を強化又は支援するための何らかの新たな又は異なる機能を含むよう構成してもよい。
【００６３】
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に結合したＰＷＭ発生器３０６を備えることができ、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、インピーダンス整合ネットワークコンポーネント３４２を介して供給源共振器コイル３４４を駆動する２つのパワートランジスタ３３６に直接又はゲート駆動変圧器を経由して結合され得る。パワートランジスタ３３６は、調整可能な直流供給部３０４に結合して給電することができ、調整可能な直流供給部３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓにより制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８により制御することができ、マイクロコントローラ３０２又は他の集積回路の一部であってもそれに組み込まれてもよい。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力及び共振器コイル３４４に送られる電力を制御するために用いることができる調整可能な直流供給部３０４の電圧出力を制御し得る。
【００６４】
システムは、例えばアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６等のプロセッサ及び／又は変換器への入力前に信号の整形、修正、フィルタリング、処理、バッファリング等を行う信号フィルタリング及びバッファリング回路３１８、３２０を含む、検出及び測定回路を含み得る。ＡＤＣ３１４、３１６などのプロセッサ及び変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込まれ得るか、又は処理コア３３０に結合され得る別個の回路であり得る。測定信号に基づき、制御アルゴリズム３２８は、ＰＷＭ発生器３０６、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓ制御部３２６、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８、３２０、変換器３１４、３１６、共振器コイル３４４のいずれかの動作を生成、制限、開始、消去、制御、調整、又は修正することができ、マイクロコントローラ３０２又は別個の回路の一部であり得るか又はそれに組み込まれ得る。インピーダンス整合ネットワーク３４２及び共振器コイル３４４は、本明細書に記載のように、キャパシタ、スイッチ、インダクタ等の電気的に制御可能な、可変の、又はチューナブルコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネントは、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８から受け取った信号に従ってコンポーネント値又は動作点を調整され得る。コンポーネントは、共振器が授受する電力、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、及び任意の他の結合系等を含む、共振器の動作及び特性を調整するようチューニングされ得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料を含む平面共振器、又はそれらの任意の組み合わせを含む、本明細書に記載の任意のタイプ又は構造の共振器であり得る。
【００６５】
図４に示すフルブリッジシステムトポロジは、マスタ制御アルゴリズム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等であり得る。システムは、無線通信回路３１２に結合した供給源／装置及び／又は供給源／他の共振器通信回路３３２を備え得る。供給源／装置及び／又は供給源源／他の共振器通信回路３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行する同一の処理ユニットの一部であってもよく、マイクロコントローラ３０２内の一部又は回路であってもよく、無線送電モジュールの外部にあってもよく、有線式又は電池式の給電用途で用いる通信コントローラと実質的に類似しているが無線送電を強化又は支援するための何らかの新たな又は異なる機能を含むよう構成してもよい。
【００６６】
システムは、マスタ制御アルゴリズムで生成された信号によって制御され得る少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合した少なくとも２つの出力を有するＰＷＭ発生器３０６を備え得る。４つのトランジスタゲートドライバ３３４は、４つの電力トランジスタ３３６に直接又はインピーダンス整合ネットワーク３４２を介して供給源共振器コイル３４４を駆動し得るゲート駆動変圧器を経由して結合され得る。パワートランジスタ３３６は、調整可能な直流供給部３０４に結合して給電することができ、調整可能な直流供給部３０４は、マスタ制御アルゴリズムにより制御され得るＶｂｕｓコントローラ３２６により制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力及び共振器コイル３４４に送られる電力を制御するために用いることができる調整可能な直流供給部３０４の電圧出力を制御し得る。
【００６７】
システムは、例えばアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６等のプロセッサ及び／又は変換器への入力前に信号の整形、修正、フィルタリング、処理、バッファリング等を行う信号フィルタリング及びバッファリング回路３１８、３２０と差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４とを含む、検出及び測定回路を備え得る。ＡＤＣ３１４、３１６等のプロセッサ及び／又は変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込まれ得るか、又は処理コア３３０に結合され得る別個の回路である得る。測定信号に基づき、マスタ制御アルゴリズムは、ＰＷＭ発生器４１０、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓコントローラ３２６、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８、３２０、差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４、変換器３１４、３１６、共振器コイル３４４のいずれかの動作を生成、制限、開始、消去、制御、調整、又は修正することができ、マイクロコントローラ３０２は別個の回路の一部であり得るか又はそれに組み込まれ得る。
【００６８】
インピーダンス整合ネットワーク３４２及び共振器コイル３４４は、本明細書に記載のように、キャパシタ、スイッチ、インダクタ等の電気的に制御可能な、可変の、又はチューナブルコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネントは、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８から受け取った信号に従ってコンポーネント値又は動作点を調整され得る。コンポーネントは、共振器が授受する電力、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、及び任意の他の結合系等を含む、共振器の動作及び特性を調整するようチューニングされ得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料を含む平面共振器、又はそれらの任意の組み合わせを含む、本明細書に記載の任意のタイプ又は構造の共振器であり得る。
【００６９】
インピーダンス整合ネットワークは、キャパシタ、インダクタ、及び本明細書に記載のコンポーネントのネットワーク等の固定値コンポーネントを備え得る。インピーダンス整合ネットワークの部分Ａ、Ｂ、及びＣは、本明細書に記載のように、インダクタ、キャパシタ、変圧器、及びかかるコンポーネントの直列及び並列の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合ネットワークの部分Ａ、Ｂ、及びＣは、空（短絡）であり得る。いくつかの実施形態では、部分Ｂは、インダクタ及びキャパシタの直列の組み合わせを含み、部分Ｃは空である。
【００７０】
フルブリッジトポロジは、同等のハーフブリッジ増幅器と同じＤＣバス電圧を用いて、より高い出力電力レベルでの動作を可能にし得る。図３の例示的なハーフブリッジトポロジは、シングルエンド駆動信号を提供し得るが、図４の例示的なフルブリッジトポロジは、差動駆動を供給源共振器３０８に提供し得る。インピーダンス整合トポロジ及びコンポーネントと共振器構造とは、本明細書に記載のように、２つのシステムで異なり得る。
【００７１】
図３及び図４に示す例示的なシステムは、供給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ため又は増幅器の動作を変更若しくは中断するために用いることができる、故障検出回路３４０をさらに含み得る。この保護回路は、増幅器のリターン電流（amplifier return current）、直流供給部３０４からの増幅器バス電圧（Ｖｂｕｓ）、供給源共振器３０８及び／又は任意の同調板における電圧、又はシステム内のコンポーネントに損傷を与え得るか若しくは望ましくない動作状態をもたらし得る任意の他の電圧信号又は電流信号を監視するための、１つ又は複数の高速コンパレータを備え得る。好ましい実施形態は、異なる用途に関連した望ましくない可能性のある動作モードに応じて決まり得る。いくつかの実施形態では、保護回路が実施されない又は回路が実装されない場合がある。いくつかの実施形態では、システム及びコンポーネント保護は、マスタ制御アルゴリズム及び他のシステム監視・制御回路の一部として実施され得る。実施形態では、専用の故障回路３４０は、システムシャットダウン、出力電力の減少（例えば、Ｖｂｕｓの減少）、ＰＷＭ発生器に対する変更、動作周波数の変更、チューニング素子に対する変更、又は動作点モードを調整するため、システム性能を向上させるため、及び／又は保護を提供するために制御アルゴリズム３２８により実施され得る任意の他の妥当な動作をトリガし得るマスタ制御アルゴリズム３２８に結合された出力（図示せず）を含み得る。
【００７２】
本明細書に記載のように、無線電力伝達システム内の供給源は、供給源共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合ネットワーク３４２の入力インピーダンスの測定値を、マスタ制御アルゴリズムの一部であり得るシステム制御ループに対する誤差信号又は制御信号として使用し得る。例示的な実施形態では、３つのパラメータの任意の組み合わせの変動を用いて、環境条件の変化、結合の変化、装置電力需要の変化、モジュール、回路、コンポーネント、又はサブシステム性能の変化、システム内の供給源、装置、又は中継器の数の増減、ユーザ主導の変化等を補償するように無線電源をチューニングすることができる。例示的な実施形態では、増幅器デューティサイクルに対する変化、可変キャパシタ及びインダクタ等の可変電気コンポーネントのコンポーネント値に対する変化、及びＤＣバス電圧に対する変化を用いて、無線供給源の動作点又は動作範囲を変更して何らかのシステム動作値を改善することができる。種々の用途に用いられる制御アルゴリズムの詳細は、所望のシステム性能及び動作に応じて変わり得る。
【００７３】
本明細書に記載し、図３及び図４に示すようなインピーダンス測定回路は、２チャネル同時サンプリングＡＤＣを用いて実施することができ、これらのＡＤＣは、マイクロコントローラチップに組み込んでもよく、又は別個の回路の一部であってもよい。供給源共振器のインピーダンス整合ネットワーク及び／又は供給源共振器への入力における電圧信号及び電流信号の同時サンプリングは、電流信号及び電圧信号の位相及び振幅情報をもたらすことができ、既知の信号処理技法を用いて処理されて複素インピーダンスパラメータをもたらすことができる。いくつかの実施形態では、電圧信号のみ又は電流信号のみの監視で十分であり得る。
【００７４】
本明細書に記載のインピーダンス測定は、他のいくつかの既知のサンプリング法よりも相対的に単純であり得る直接サンプリング法を用いることができる。実施形態では、測定された電圧信号及び電流信号は、ＡＤＣへの入力前にフィルタリング／バッファリング回路により調整、フィルタリング及びスケーリングされ得る。実施形態では、フィルタリング／バッファリング回路は、様々な信号レベル及び周波数で動作するように調整可能とすることができ、フィルター波形及び幅等の回路パラメータを、手動、電子的、自動的、制御信号への応答、マスタ制御アルゴリズム等により調整することができる。フィルタリング／バッファリング回路の例示的な実施形態を図３、図４、及び図５に示す。
【００７５】
図５は、フィルタリング／バッファリング回路で用いることができる例示的な回路コンポーネントのより詳細な図を示す。実施形態では、システム設計で用いるＡＤＣのタイプに応じて、シングルエンド増幅器トポロジは、ハードウェアが差動信号フォーマットからシングルエンド信号フォーマットに変換する必要をなくすことにより、システム、サブシステム、モジュール及び／又はコンポーネントの性能を特性化するために用いるアナログ信号測定経路の複雑さを低減し得る。他の実施形態では、差動信号フォーマットが好ましい場合がある。図５に示す実施態様は例示的なものであり、本明細書に記載する機能を実施する唯一可能な方法と解釈すべきではない。むしろ、アナログ信号経路は異なる入力要件を有するコンポーネントを用いてもよく、したがって、異なる信号経路アーキテクチャを有してもよいことを理解すべきである。
【００７６】
シングルエンド増幅器トポロジ及び差動増幅器トポロジの両方で、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への入力電流は、キャパシタ３２４における電圧を測定することにより、又は一種の電流センサにより取得され得る。図３の例示的なシングルエンド増幅器トポロジでは、電流は、インピーダンス整合ネットワーク３４２からの接地リターン経路上で検知され得る。図４に示す例示的な差動電力増幅器にでは、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への入力電流は、キャパシタ３２４の端子間で差動増幅器を用いて、又は一種の電流センサにより測定され得る。図４の差動トポロジでは、キャパシタ３２４は、供給源電力増幅器の負出力端子で再現され得る。
【００７７】
いずれのトポロジでも、供給源共振器及びインピーダンス整合ネットワークへの入力電圧及び電流を表すシングルエンド信号が取得された後に、信号５０２をフィルタリングして信号波形の所望の部分を得ることができる。実施形態では、信号をフィルタリングして信号の基本成分を得ることができる。実施形態では、低域、帯域、ノッチ等の実行されるフィルタリングのタイプ、並びに楕円、チェビシェフ、バターワース等の用いるフィルタートポロジーは、システムの特定の要件に応じて決まり得る。いくつかの実施形態では、フィルタリングが必要ない。
【００７８】
電圧信号及び電流信号は、任意の増幅器５０４により増幅され得る。任意の増幅器５０４の利得は、固定又は可変であり得る。増幅器の利得は、手動、電子的、自動的、制御信号への応答等により制御され得る。増幅器の利得は、フィードバックループ、制御アルゴリズムへの応答、マスタ制御アルゴリズム等により調整され得る。実施形態では、増幅器に必要な性能仕様は、信号強度及び所望の測定精度に応じて決まり得ると共に、用途シナリオ及び制御アルゴリズム毎に異なり得る。
【００７９】
測定されたアナログ信号は、それらに加えた直流オフセット５０６を有することができ、直流オフセット５０６は、信号をいくつかのシステムでは０Ｖ〜３．３Ｖであり得るＡＤＣの入力電圧範囲にするために必要とされ得る。システムによっては、この段階は、用いる特定のＡＤＣの仕様に応じて必要でない可能性がある。
【００８０】
上述のように、発電機と電源負荷との間の送電効率は、発電機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の程度厳密に一致しているかにより影響され得る。図６Ａに示すような例示的なシステムでは、電力は、負荷６０４の入力インピーダンスが発電機又は電力増幅器６０２の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限の効率で負荷に送られ得る。高い及び／又は最大の送電効率を得るための発電機又は負荷インピーダンスの設計は、「インピーダンス整合」と呼ばれ得る。インピーダンス整合は、図６Ｂに示すように、発電機６０２と電源負荷６０４との間にインピーダンス整合ネットワーク６０６を形成するために、キャパシタ、抵抗、インダクタ、変圧器、スイッチ等の適切なネットワーク又は素子の組を挿入することにより行われ得る。他の実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整及び変更を用いて、インピーダンス整合を達成することができる。上述のように、変化する負荷に対して、インピーダンス整合ネットワーク６０６は、負荷に面している発電機端子におけるインピーダンス及び発電機の特性インピーダンスが、動的環境及び動作シナリオにおいてさえ実質的に互いの複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含み得る。実施形態では、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及び／又は位相及び／又は周波数をチューニングすることにより、又は図６Ｃに示すように、キャパシタ等の発電機内の物理的コンポーネントをチューニングすることにより達成することができる。かかるチューニング機構が有利であり得る理由は、チューナブルインピーダンス整合ネットワークを用いずに、又は例えばより少ないチューナブルコンポーネントを有するもの等の簡略化したチューナブルインピーダンス整合ネットワーク６０６を用いて、発電機６０８と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るからである。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル及び／又は周波数及び／又は位相を発電機に同調すると、駆動信号のデューティサイクル及び／又は周波数及び／又は位相を電力供給部に同調すると、拡張した同調範囲又は精度で、より高い電力、電圧及び／又は電流能力、より高速な電子制御、より少ない外部コンポーネント等を備えた動的インピーダンス整合システムを得ることができる。下記のインピーダンス整合の方法、アーキテクチャ、アルゴリズム、プロトコル、回路、測定、制御等は、発電機が高Ｑ磁気共振器を駆動するシステムにおいて、また本明細書に記載のような高Ｑ無線送電システムにおいて有用であり得る。無線電力伝達システムでは、発電機は共振器を駆動する電力増幅器であり得るが、これは供給源共振器と称する場合があり、電力増幅器に対する負荷であり得る。無線電力用途では、電力増幅器と共振器との間のインピーダンス整合を制御して電力増幅器から共振器への電力供給効率を制御することが好ましい場合がある。インピーダンス整合は、共振器を駆動する電力増幅器の駆動信号のデューティサイクル及び／又は位相及び／又は周波数をチューニング又は調整することにより達成され得るか、又は部分的に達成され得る。
【００８１】
スイッチング増幅器の効率
Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級増幅器等のスイッチング増幅器又はそれらの任意の組み合わせは、増幅器のスイッチング素子上で電力が放散されない場合に最大効率で電力を負荷に送る。この動作条件は、スイッチング素子における電圧及びスイッチング素子を流れる電流の両方がゼロである場合に最も重要なスイッチング動作（すなわち、スイッチング損失につながる可能性が最も高い動作）が行われるように、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）条件及びゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）条件と称され得る。増幅器がＺＶＳ及びＺＣＳで動作する場合、スイッチング素子における電圧又はスイッチング素子を流れる電流のいずれかがゼロであり、したがって、スイッチにおいて電力を放散できない。スイッチング増幅器は、特定の周波数又は周波数範囲で直流（又は超低周波交流）電力から交流電力に変換することができ、フィルターを負荷の前に導入して、スイッチング処理により生成され得る望ましくない調波が負荷に達してそこで消散するのを防止することができる。実施形態では、スイッチング増幅器は、重要な品質係数（例えばＱ＞５）を有し、且つ同時にＺＶＳ及びＺＣＳをもたらす特定のインピーダンスＺ０＊＝Ｒ０−ｊＸ０の共振器負荷に接続される場合に、最大の電力変換効率で動作するよう設計され得る。Ｚ０＝Ｒ０−ｊＸ０を増幅器の特性インピーダンスとして定義し、最大送電効率の達成が、共振器負荷を増幅器の特性インピーダンスに整合させるインピーダンスと同等になるようにする。
【００８２】
スイッチング増幅器では、スイッチング素子のスイッチング周波数ｆｓｗｉｔｃｈ（ここで、ｆｓｗｉｔｃｈ＝ω／２π）及びスイッチング素子のＯＮスイッチ状態持続時間のデューティサイクルｄｃは、増幅器の全てのスイッチング素子で同一であり得る。本明細書では、Ｄ級及びクＤＥ級増幅器の両方、すなわちｄｃ＜＝５０％のスイッチング増幅器を示すために用語「Ｄ級」を用いる。
【００８３】
増幅器の特性インピーダンスの値は、スイッチング素子の動作周波数、増幅器トポロジ、及びスイッチングシーケンスに応じて決まり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器はハーフブリッジトポロジとすることができ、いくつかの実施形態ではフルブリッジトポロジとすることができる。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、Ｄ級とすることができ、いくつかの実施形態ではＥ級とすることができる。上記実施形態のいずれかでは、ブリッジの素子が対称であると仮定すると、スイッチング増幅器の特性インピーダンスは、形態
Ｒ０＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘ０＝Ｆｘ（ｄｃ）／ωＣａ          （１）
を有し、式中、ｄｃは、スイッチング素子のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルであり、関数ＦＲ（ｄｃ）及びＦＸ（ｄｃ）は、図７（Ｄ級及びＥ級の両方に対して）に示されており、ωはスイッチング素子が切り替わる周波数であり、Ｃａ＝ｎａＣｓｗｉｔｃ（式中、Ｃｓｗｉｔｃは、トランジスタ出力キャパシタンス及びスイッチと並列配置した考えられる外部キャパシタの両方を含む、各スイッチ間のキャパシタンスであり、フルブリッジに関してｎａ＝１、ハーフブリッジに関してｎａ＝２）である。Ｄ級に関して、解析式
ＦＲ（ｄｃ）＝ｓｉｎ２ｕ／π，ＦＸ（ｄｃ）＝（ｕ−ｓｉｎｕ×ｃｏｓｕ）／π        （２）
を記述することもでき、式中、ｕ＝π（１−２×ｄｃ）であり、デューティサイクルｄｃが５０％に向かって増加するにつれてＤ級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。ｄｃ＝５０％のＤ級増幅器の動作に関して、ＺＶＳ及びＺＣＳの達成は、スイッチング素子が出力キャパシタンスを事実上有さず（Ｃａ＝０）、負荷がまさに共振状態（Ｘ０＝０）である一方で、Ｒ０が任意であり得る場合にのみ可能である。
【００８４】
インピーダンス整合ネットワーク
諸用途において、駆動された負荷は、それが接続されている外部駆動回路の特性インピーダンスとは全く異なるインピーダンスを有し得る。さらに、駆動された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、ＩＭＮ回路及び負荷からなるネットワークの入力において見られるインピーダンスを調節するために、図６Ｂのように負荷の前に接続され得る回路ネットワークである。ＩＭＮ回路は、駆動周波数に近い共振を発生させることによりこの調節を通常は達成し得る。かかるＩＭＮ回路は、発電機から負荷への送電効率を最大にするために必要な全ての条件（共振及びインピーダンス整合−スイッチング増幅器に関するＺＶＳ及びＺＣＳ）を達成するので、実施形態では、ＩＭＮ回路を駆動回路と負荷との間で用いることができる。
【００８５】
図６Ｂに示す配置に関して、インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）及び負荷（今後は、合わせてＩＭＮ＋負荷として示す）をＺｌ＝Ｒｌ（ω）＋ｊＸｌ（ω）とする。特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０−ｊＸ０を有す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、その場合はＲｌ（ω）＝Ｒ０、Ｘｌ（ω）＝Ｘ０である。
【００８６】
可変負荷のチューナブルインピーダンス整合のための方法
負荷が可変であり得る実施形態では、負荷と線形又はスイッチング電力増幅器等の外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、変動負荷を外部回路の固定特性インピーダンスＺ０に整合させるように調整され得るＩＭＮ回路内の調整可能／チューナブルコンポーネントを用いることにより達成することができる（図６Ｂ）。インピーダンスの実数部及び虚数部の両方を整合させるために、ＩＭＮ回路内の２つのチューナブル／可変素子が必要とされ得る。
【００８７】
実施形態では、負荷は、インピーダンスＲ＋ｊωＬを有する誘導性（共振器コイル等）であり得るので、ＩＭＮ回路内の２つのチューナブル素子は、２つのチューナブルキャパシタンスネットワーク、又は１つのチューナブルキャパシタンスネットワーク及び１つのチューナブルインダクタンスネットワーク、又は１つのチューナブルキャパシタンスネットワーク及び１つのチューナブル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では、負荷と線形又はスイッチング電力増幅器等の駆動回路との間のインピーダンス整合は、増幅器の特性インピーダンスＺ０をＩＭＮ回路及び負荷（ＩＭＮ＋負荷）からなるネットワークの（負荷変動に起因する）変動入力インピーダンスに整合させるように調整され得る増幅器回路内の調整可能／チューナブルコンポーネント又はパラメータを用いることにより達成することができ、その場合、ＩＭＮ回路もチューニング可能であり得る（図６Ｃ）。インピーダンスの実数部及び虚数部の両方を整合させるために、増幅器及びＩＭＮ回路内の合計２つのチューナブル／可変素子又はパラメータが必要とされ得る。開示されるインピーダンス整合法では、ＩＭＮ回路内のチューナブル／可変素子の必要数を減らすことができ、又はＩＭＮ回路内のチューナブル／可変素子に対する要件を完全になくすことさえできる。いくつかの例では、電力増幅器内で１つのチューナブル素子、ＩＭＮ回路内で１つのチューナブル素子を用いることができる。いくつかの例では、電力増幅器内で２つのチューナブル素子、ＩＭＮ回路内で０個のチューナブル素子を用いることができる。
【００８９】
実施形態では、電力増幅器内のチューナブル素子又はパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオード等に適用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等であり得る。
【００９０】
実施形態では、チューナブル特性インピーダンスを有する電力増幅器は、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級のチューナブルスイッチング増幅器又はそれらの任意の組み合わせであり得る。方程式（１）及び（２）を組み合わせると、このネットワークに関するインピーダンス整合条件は、
Ｒｌ（ω）＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘｌ（ω）＝ＦＸ（ｄｃ）／ωＣａ          （３）
である。
【００９１】
チューナブルスイッチング増幅器のいくつかの例では、１つのチューナブル素子をキャパシタンスＣａとすることができ、これは、スイッチング素子と並列配置されている外部キャパシタをチューニングすることによりチューニングされ得る。
【００９２】
チューナブルスイッチング増幅器のいくつかの例では、１つのチューナブル素子を増幅器のスイッチング素子のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルｄｃとすることができる。デューティサイクルｄｃのパルス幅変調（ＰＷＭ）による調整をスイッチング増幅器で用いて、出力電力制御を達成してきた。本明細書では、ＰＷＭは、インピーダンス整合を達成するため、すなわち方程式（３）を満足するため、したがって増幅器効率を最大にするために用いることもできることを開示する。
【００９３】
チューナブルスイッチング増幅器のいくつかの例では、１つのチューナブル素子をスイッチング周波数とすることができ、これは、ＩＭＮ＋負荷ネットワークの駆動周波数でもあり、またＩＭＮ＋負荷ネットワークの共振周波数に実質的に近くなるよう設計され得る。スイッチング周波数のチューニングにより、増幅器の特性インピーダンス及びＩＭＮ＋負荷ネットワークのインピーダンスが変わり得る。増幅器のスイッチング周波数は、もう１つのチューナブルパラメータと共に適切にチューニングすることができるので、方程式（３）が満足される。
【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及び／又は駆動周波数をチューニングする利点は、これらのパラメータを電子的に迅速に広範囲にわたってチューニングできることである。一方、例えば、大きな電圧を維持でき且つ十分に大きいチューニング可能範囲及び品質係数を有するチューナブルキャパシタは、高価、低速、又は必要なコンポーネント仕様で利用不可能であり得る。
【００９５】
可変負荷のチューナブルインピーダンス整合の方法の例
Ｄ級電力増幅器８０２、インピーダンス整合ネットワーク８０４、及び誘導負荷８０６の回路レベル構造を示す間に回路図を図８に示す。この概略図は、電源８１０、スイッチング素子８０８、及びキャパシタを含むスイッチング増幅器８０４を備えたシステムの基本的なコンポーネントを示す。インピーダンス整合ネットワーク８０４は、インダクタ及びキャパシタ、並びにインダクタ及び抵抗としてモデル化された負荷８０６を備える。
【００９６】
本発明のチューニング方式の例示的な実施形態は、図８に示すように、スイッチング周波数ｆで動作し且つＩＭＮを介して低損失誘導素子Ｒ＋ｊωＬを駆動するハーフブリッジＤ級増幅器を備える。
【００９７】
いくつかの実施形態では、Ｌ’はチューニング可能であり得る。Ｌ’は、インダクタ上の可変タップ点により、又はチューナブルキャパシタを直列若しくは並列でインダクタに接続することによりチューニングされ得る。いくつかの実施形態では、Ｃａはチューニング可能であり得る。ハーフブリッジトポロジでは、Ｃａは、キャパシタＣｓｗｉｔｃの並列和のみが増幅器動作にとって重要なので、一方又は両方のキャパシタを変化させることによりチューニングすることができる。フルブリッジトポロジでは、Ｃａは、キャパシタＣｓｗｉｔｃの組み合わせ（ブリッジの２つの部分に関連する２つの並列和の直列和）のみが増幅器動作にとって重要なので、１つ、２つ、３つ、又は全てのキャパシタを変化させることにより調整することができる。
【００９８】
チューナブルインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、ＩＭＮのコンポーネントの２つがチューニング可能であり得る。いくつかの実施形態では、Ｌ’及びＣ２がチューニングされ得る。そこで、図９は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃａ＝６４０ｐＦ、及びＣ１＝１０ｎＦに関して、誘導素子の変動Ｒ及びＬ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つのチューナブルコンポーネントの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。ＩＭＮは常に増幅器の固定特性インピーダンスに合わせて調整されるので、誘導素子が変動しても出力電力は常に一定である。
【００９９】
チューナブルインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、スイッチング増幅器内の素子もチューニング可能であり得る。いくつかの実施形態では、キャパシタンスＣａは、ＩＭＮキャパシタＣ２と共にチューニングされ得る。そこで、図１０は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦ、及びωＬ’＝１０００Ωに関して、誘導素子の変動Ｒ及びＬ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つのチューナブルコンポーネントの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。図１０から、Ｃ２を主にＬにおける変動に応じてチューニングする必要があること、及び出力電力がＲの増加に伴い減少することが推測できる。
【０１００】
チューナブルインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃは、ＩＭＮキャパシタＣ２と共にチューニングされ得る。そこで、図１１Ａ〜図１１Ｘは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ及びωＬ’＝１０００Ωに関して、誘導素子の変動Ｒ及びＬ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つのチューナブルパラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。図１１Ａ〜図１１Ｃから、Ｃ２を主にＬにおける変動に応じてチューニングする必要があること、及び出力電力がＲの増加に伴い減少することが推測できる。
【０１０１】
チューナブルインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、キャパシタンスＣａは、ＩＭＮインダクタＬ’と共にチューニングされ得る。そこで、図１１Ａは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦ、及びＣ２＝７．５ｎＦに関して、誘導素子の変動Ｒ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つのチューナブルパラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。図１１Ａから、出力電力がＲの増加に伴い減少することが推測できる。
【０１０２】
チューナブルインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃは、ＩＭＮインダクタＬ’と共にチューニングされ得る。そこで、図１１Ｂは、誘導素子の変動Ｒの関数としてのｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ、及びＣ２＝７．５ｎＦに関して、誘導素子の変動Ｒ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つのチューナブルパラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。図１１Ｂから、出力電力がＲの増加に伴い減少することが推測できる。
【０１０３】
チューナブルインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、スイッチング増幅器内の素子のみがチューニング可能であり得るが、ＩＭＮ内にチューナブル素子はない。いくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｕは、キャパシタンスＣａと共にチューニングされ得る。そこで、図１１Ｃは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７．５ｎＦ、及びωＬ’＝１０００Ωに関して、誘導素子の変動Ｒ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つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。図１１Ｃから、出力電力がＲの非単調関数であることが推測できる。これらの実施形態は、Ｌの変動（したがって共振周波数）が僅かである場合に、動的インピーダンス整合を達成することが可能であり得る。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、ＩＭＮ内に固定素子を有し、また前述の説明のようにＬが大きく変動する場合の動的インピーダンス整合は、外部周波数ｆ（例えば、スイッチング増幅器のスイッチング周波数）の駆動周波数を共振器の変動共振周波数に従うように変えることにより達成することができる。スイッチング周波数ｆ及びスイッチデューティサイクルｄｃを２つの可変パラメータとして用いると、Ｒ及びＬはいずれの可変コンポーネントも必要とせずに変動するので、完全なインピーダンス整合が達成できる。そこで、図１２は、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７．５ｎＦ及びＬ’＝６３７μＨに関して、誘導素子の変動Ｒ及びＬ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つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連の変動を示す。図１２から、前述のように、ｆを主にＬの変動に応じてチューニングする必要があることが推測できる。
【０１０５】
無線送電のためのチューナブルインピーダンス整合
無線電力伝達の用途では、低損失誘導素子は、１つ又は複数の装置共振器又は例えば中継器共振器等の他の共振器に結合した供給源共振器のコイルであり得る。誘導素子のインピーダンスＲ＋ｊωＬは、供給源共振器のコイル上の他の共振器の反射インピーダンスを含み得る。誘導素子のＲ及びＬの変動は、供給源共振器及び／又は他の共振器に近接した外部摂動又はコンポーネントの熱ドリフトに起因して生じ得る。誘導素子のＲ及びＬの変動は、無線送電システムの通常の使用中に、供給源に対する装置及び他の共振器の相対運動に起因して生じる場合もある。供給源に対するこれらの装置及び他の共振器の相対運動、又は他の供給源の相対運動若しくは位置は、供給源への装置の結合の変動（したがって、反射インピーダンスの変動）につながり得る。さらに、誘導素子のＲ及びＬの変動は、無線送電システムの通常の使用中に、それらの負荷の電力消費量（power draw）の変化等の他の結合共振器内の変化に起因して生じる場合もある。この誘導素子を駆動する外部回路に対するこの誘導素子の動的インピーダンス整合を達成するために、これまでに開示した全ての方法及び実施形態がこの場合にも当てはまる。
【０１０６】
本開示の無線送電システムのための動的インピーダンス整合法を実証するために、抵抗負荷を駆動する装置共振器の装置コイルに誘導結合した低損失供給源コイルを含む供給源共振器を考える。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合が供給源回路において達成され得る。いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合が装置回路においても達成され得る。完全なインピーダンス整合が（供給源及び装置の両方で）取得される場合、供給源誘導素子の実効抵抗（すなわち、供給源コイルの抵抗ＲＳ＋装置からの反射インピーダンス）は、
2014522218.tif 000006
である。（同様に、装置誘導素子の実効抵抗は
2014522218.tif 000007
であり、式中、Ｒｄは装置コイルの抵抗である）運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は、
2014522218.tif 000008
の動的変動となる。したがって、供給源及び装置の両方が動的にチューニングされる場合、相互インダクタンスの変動は、供給源回路側からは供給源誘導素子抵抗Ｒの変動として見える。このタイプの変動では、Ｌが変化しない可能性があるので、共振器の共振周波数は実質的に変化しない可能性があることに留意されたい。したがって、動的インピーダンス整合に関して提示した全ての方法及び例は、無線送電システムの供給源回路に用いることができる。
【０１０８】
図９〜図１２において、抵抗Ｒは供給源コイル及び供給源コイルに対する装置コイルの反射インピーダンスの両方を表すので、Ｕの増加に起因してＲが増加するにつれて関連の無線送電効率が向上することに留意されたい。いくつかの実施形態では、ほぼ一定の電力が、装置回路により駆動される負荷において必要とされ得る。装置に伝送される一定の電力レベルを達成するために、供給源回路の所要出力電力は、Ｕが増加するにつれて減少する必要があり得る。動的インピーダンス整合が、増幅器パラメータのいくつかをチューニングすることにより達成される場合、増幅器の出力電力はそれに従って変わり得る。いくつかの実施形態では、出力電力の自動変動は、一定の装置電力要件に合うようにＲと共に単調に減少することが好ましい。出力電力レベルが発電機の直流駆動電圧を調整することにより設定される実施形態では、Ｒに対する出力電力の単調な減少をもたらすチューナブルパラメータのインピーダンス整合セットの使用は、一定の電力を直流駆動電圧の適度な調整のみで装置内の電力負荷において維持できることを意味する。出力電力レベルを調整するための「ノブ」が、インピーダンス整合ネットワーク内のスイッチング増幅器又はコンポーネントのデューティサイクルｄｃ又は位相である実施形態では、Ｒに対する出力電力の単調な減少をもたらすチューナブルパラメータのインピーダンス整合セットの使用は、一定の電力をこの電力「ノブ」の適度な調整のみで装置内の電力負荷において維持できることを意味する。
【０１０９】
図９〜図１２の例では、Ｒｓ＝０．１９Ωであれば、範囲Ｒ＝０．２−２Ωは概ねＵｓｄ＝０．３−１０．５に対応する。これらの値に関して、図１４では、供給源装置の両方が動的にインピーダンス整合している場合に負荷において一定の電力レベルを保つ必要がある（直流電圧の２乗に正規化された）出力電力を破線で示す。実線と破線との間の同様の傾向により、出力電力がこのように変動するチューナブルパラメータの組が好ましい場合がある理由が説明される。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合は供給源回路で達成され得るが、インピーダンス整合は装置回路では達成され得ないか、又は部分的にのみ達成され得る。供給源コイルと装置コイルとの間の相互インダクタンスが変動するので、供給源に対する装置の変動反射インピーダンスは、供給源誘導素子の実効抵抗Ｒ及び実効インダクタンスＬの両方の変動をもたらし得る。これまでに提示した動的インピーダンス整合のための方法は、適用可能であり、無線送電システムのチューナブル供給源回路に用いることができる。
【０１１１】
一例として、図１４の回路を考えるが、この図では、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、ＲＳ＝０．１９Ω、Ｌｓ＝１００μＨ、Ｃ１ｓ＝１０ｎＦ、ωＬ’ｓ＝１０００Ω、Ｒｄ＝０．３Ω、Ｌｄ＝４０μＨ、Ｃ１ｄ＝８７．５ｎＦ、Ｃ２ｄ＝１３ｎＦ、ωＬ’ｄ＝４００Ω、及びＺｌ＝５０Ωであり、ここで、ｓ及びｄは、それぞれ供給源共振器及び装置共振器を示し、システムはＵｓｄ＝３で整合される。チューニング不可能な装置が供給源に対して移動して供給源と装置との間の相互インダクタンスＭを変えているので、スイッチング増幅器のデューティサイクルｄｃ及びキャパシタＣ２ｓのチューニングを用いて、供給源を動的にインピーダンス整合することができる。図１４では、増幅器の直流電圧毎の出力電力と共にチューナブルパラメータの必要値を示す。破線は、この場合も、負荷における電力が一定値であるように必要とされる増幅器の出力電力を示す。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、供給源駆動回路の駆動周波数ｆのチューニングをさらに用いて、供給源と１つ又は複数の装置との間の無線送電のシステムに関して供給源における動的インピーダンス整合を達成することができる。前述のように、この方法は、供給源インダクタンスＬｓの、したがって供給源共振周波数の変動がある場合にさえ、供給源の完全な動的インピーダンス整合を可能にする。供給源から装置への効率的な送電のためには、装置共振周波数は、整合された駆動及び供給源共振周波数の変動に従うよう調整しなければならない。供給源共振器又は装置共振器のいずれかの共振周波数において変動がある場合、装置容キャパシタンスのチューニング（例えば、図１３の実施形態では、Ｃ１ｄ又はＣ２ｄ）が必要であり得る。実際には、複数の供給源及び装置を備えた無線電力伝達システムでは、駆動周波数の調整は、供給源−物体共振周波数（source-object resonant frequency）を１つだけチューニングする必要性を軽減するが、残りの全ての物体は、それらの共振周波数を駆動周波数に整合させるようにチューニングする機構（チューナブルキャパシタンス等）を必要とし得る。
【０１１３】
共振器熱管理
無線エネルギー伝達システムでは、無線伝達プロセス中に失われたエネルギーの一部が熱として散逸する。エネルギーは、共振器コンポーネント自体内で散逸し得る。例えば、高Ｑ導体及びコンポーネントでさえ多少の損失又は抵抗を有し、これらの導体及びコンポーネントは、電流及び／又は電磁場がそれらを流れる際に加熱し得る。エネルギーは、共振器の周囲の材料及び物体内で散逸し得る。例えば、不完全導体又は誘電体周囲又は共振器の近くで散逸した渦電流が、それらの物体を加熱し得る。それらの物体の材料特性に影響を及ぼすことに加えて、この熱は、導電性、放射性、又は対流性のプロセスで共振器コンポーネントへ伝達され得る。これらの加熱効果のいずれも、共振器Ｑ、インピーダンス、周波数等に、したがって無線エネルギー伝達システムに影響し得る。
【０１１４】
磁性材料のブロック又はコアを含む共振器では、ヒステリシス損失及び誘電渦電流から生じた抵抗損失に起因して、磁性材料内で熱が発生し得る。両方の影響が、材料における磁束密度に応じて決まり、両方が、特に磁束密度又は渦電流が集中又は局所化し得る領域で相当量の熱を生成できる。磁束密度に加えて、振動磁場の周波数、磁性材料組成及び損失、並びに磁性材料の周囲温度又は動作温度が、ヒステリシス損失及び抵抗損失による材料の加熱の仕方に影響し得る。
【０１１５】
実施形態では、材料のタイプ、ブロックの寸法等の磁性材料の特性と磁場パラメータとを、特定の動作電力レベル及び環境に対して選択して、磁性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では、磁性材料ブロックにおける変化、亀裂、又は欠陥が、無線送電用途における磁性材料の損失及び加熱を増加させ得る。
【０１１６】
欠陥のある磁性ブロック、又は大きなユニットに配置された小さなサイズの磁性材料タイル又は磁性材料片から構成された磁性ブロックでは、そのブロックにおける損失は、不均一な場合があり、隣接する磁性材料タイル又は磁性材料片間に不均質又は比較的狭い間隙がある領域に集中し得る。例えば、不規則な間隙が磁性材料ブロック内に存在する場合、その材料を通る種々の磁束経路の実効磁気抵抗が実質的に不規則であり得ると共に、磁気抵抗が最低であるブロックの部分に磁場がより集中し得る。場合によっては、実効磁気抵抗は、タイル又は片の間の間隙が最も狭いか又は欠陥の密度が最も低いところで最低であり得る。磁気材料が磁場を導くので、磁束密度は、実質的にブロック全体で均一ではあり得ないが、比較的低い磁気抵抗を提供する領域に集中し得る。磁性材料ブロック内の磁場の不規則な集中は、材料における不均一な損失及び放熱をもたらし得る。
【０１１７】
例えば、図１５に示すように、導体１５０６を備え、導体１５０６ループの軸に対して垂直な継目１５０８を形成するように接合した２つの別個の磁性材料タイル１５０２、１５０４から構成された磁性材料ブロックに導体１５０６を巻き付けた磁気共振器を考える。磁性材料タイル１５０２、１５０４の間の継目１５０８の不規則な間隙は、共振器における磁場１５１２（破線の磁力線で概略的に表す）を磁性材料の断面の部分領域１５１０に集中させ得る。磁場は磁気抵抗が最も小さな経路を辿るので、２つの磁性材料片間の空隙を含む経路は、磁性材料片がより小さな空隙に接触するか又はこれを有する点において磁性材料の幅を横切る磁気抵抗経路よりも磁気抵抗が事実上高い経路を生成し得る。したがって、磁束密度が磁性材料の比較的小さな断面積を優先的に流れる結果として、その小区域１５１０での磁束集中が大きくなる。
【０１１８】
対象の多くの磁性材料では、磁束密度分布が不均一であるほど高い総合損失をもたらす。さらに、流束密度分布が不均一であるほど、材料飽和となって磁束が集中している区域の局部加熱を引き起こし得る。局部加熱は、磁性材料の特性を変え、場合によっては損失を悪化させ得る。例えば、いくつかの材料の関連の動作方式では、ヒステリシス及び抵抗損失が温度と共に増大する。材料の加熱が材料損失を増加させる結果としてさらなる加熱をもたらす場合、材料の温度が上昇し続け、是正処置を取らなければ急上昇さえし得る。場合によっては、温度が１００°Ｃ以上に達する場合があり、磁性材料の特性及び無線電力伝達の性能を低下させ得る。場合によっては、磁性材料が損傷し得るか、又は周囲の電子コンポーネント、パッケージング、及び／又は筐体が過度の熱により損傷し得る。
【０１１９】
実施形態では、磁性材料ブロックタイル又は片間の変動又は不規則性を、タイル又は片の縁部の切削加工、研磨、研削等により最小化して磁性材料タイル間の締まり嵌めを確実にすることで、実質的により均一な磁気抵抗を磁性材料ブロックの断面全体にわたって提供することができる。実施形態では、磁性材料ブロックは、タイルが間隙なくしっかりと押し合わさることを確実にするためにタイル間に圧縮力を提供する手段を必要とし得る。実施形態では、タイル間で接着剤を用いてタイルが密接したままであることを確実にすることができる。
【０１２０】
実施形態では、隣接する磁性材料タイルの不規則な間隔は、隣接する磁性材料タイル間に意図的な隙間（deliberate gap）を追加することにより減らすことができる。実施形態では、意図的な隙間をスペーサとして用いて、磁性材料タイル又は片の間の均一な又は規則的な分離を確実にすることができる。可撓性材料の意図的な隙間も、タイルの移動又は振動に起因する間隔の不規則性を減らすことができる。実施形態では、隣接する磁性材料タイルの縁部に電気絶縁体での貼着、浸漬、被覆等を施して、ブロックの縮小断面積に渦電流が流れるのを防止することで材料における渦電流損失を低下させることができる。実施形態では、セパレータが共振器パッケージングに組み込まれ得る。スペーサは、１ｍｍ以下の間隔を提供し得る。
【０１２１】
実施形態では、タイル間のスペーサの機械的特性は、外部の衝撃及び振動だけでなく本質的効果（例えば、磁気歪み、熱膨張等）に起因するタイルの寸法及び／又は形状の変化等の機械的効果に対する、構造全体の耐性を向上させるよう選択され得る。例えば、スペーサは、個々のタイルの膨張及び／又は収縮に順応するために所望量の機械的弾力性を有することができ、タイルが機械的振動を受ける場合にタイルへの圧力を低減するのに役立つことができ、したがって磁性材料における亀裂及び他の欠陥の出現を低減するのに役立つ。
【０１２２】
実施形態では、磁性材料ブロックを含む個別のタイルを、共振器の双極子モーメントに対して垂直なタイル間の継目又は隙間の数を最小化するように配置することが好ましい場合がある。実施形態では、磁性材料タイルを、共振器を含む導体のループにより形成された軸に対して垂直なタイル間の隙間を最小化するような配置及び向きにすることが好ましい場合がある。
【０１２３】
例えば、図１６示す共振器構造を考える。共振器は、３×２の配列に配置した６つの個別のタイル１６０２を含む磁性材料ブロックに巻き付けた導体１６０４を備える。このタイル配置により、磁性材料ブロックを一方向に横切ると２つのタイル継目１６０６、１６０８、磁性材料ブロックを直交方向に横切ると１つのみのタイル継目１６１０が得られる。実施形態では、共振器の双極子モーメントが最小数のタイル継目に対して垂直になるように、導線１６０４を磁性材料ブロックに巻き付けることが好ましい場合がある。本発明者らの観察によれば、共振器の双極子モーメントと平行な継目及び隙間１６０６、１６０８の周りで誘導される加熱は比較的少ない。共振器の双極子モーメントに対して垂直な継目及び隙間は、クリティカルな（critical）継目又はクリティカルな継目区域とも称され得る。しかしながら、渦電流損失を低減するために共振器の双極子モーメントと平行に延びる隙間（１６０６及び１６０８等）を電気的に絶縁することがなおも望ましい場合がある。かかる平行な隙間により分離されたタイル間の不均一な接触は、渦電流を狭い接触点に流すことで、かかる点における大きな損失をもたらし得る。
【０１２４】
実施形態では、間隔の不規則性は、クリティカルな継目区域を十分に冷却して磁性材料の加熱時の材料特性の局所的悪化を防止すれば許容され得る。磁性材料の温度を臨界温度未満に維持すると、十分に高い温度により生じるランナウェイ効果を防止することができる。クリティカルな継目区域を適切に冷却すれば、タイル間の不規則な間隔、亀裂、又は隙間に起因するさらなる損失及び加熱効果にもかかわらず、無線エネルギー伝達性能は申し分のないものとなり得る。
【０１２５】
磁性材料の過度の局部加熱を防止するための共振器構造の効果的なヒートシンキングは、いくつかの課題をもたらす。ヒートシンク及び熱伝導に通常用いる金属材料は、共振器が無線エネルギー伝達に用いる磁場と相互作用してシステムの性能に影響し得る。それらの位置、サイズ、方向、及び使用は、これらのヒートシンク材料の存在下で共振器の摂動Ｑを過度に低下させないよう設計すべきである。さらに、フェライト等の磁性材料の熱伝導率が比較的低いことにより、磁気共振器の近くに相当量の損失性材料を配置する必要があり得る十分な冷却を提供するために、ヒートシンクと磁性材料との間に比較的大きな接触面積が必要とされ得る。
【０１２６】
実施形態では、共振器の十分な冷却を、熱伝導材料を戦略的に配置して無線エネルギー伝達性能への最小限の影響で達成することができる。実施形態では、熱伝導材料ストリップが、導線のループ間に磁性材料ブロックと熱的に接触して配置され得る。
【０１２７】
熱伝導材料ストリップを備えた共振器の例示的な一実施形態を図１７Ａ〜図１７Ｃに示す。図１７Ａは、導電性ストリップがなく、隙間継目を形成する小さな磁性材料タイルを含む磁性材料ブロックを有する共振器構造を示す。図１７Ｂ及び図１７Ｃに示すように、熱伝導材料ストリップ１７０８は、導体ループ１７０２間に磁性材料ブロック１７０４と熱的に接触して配置され得る。共振器のパラメータに対するストリップの影響を最小化するために、いくつかの実施形態では、ストリップを導体ループと平行に、又は共振器の双極子モーメントに対して垂直に配置することが好ましい場合がある。導体ストリップは、タイル間の継目又は隙間、特に、共振器の双極子モーメントに対して垂直なタイル間の継目をできる限り大きく又は多く覆うよう配置され得る。
【０１２８】
実施形態では、熱伝導材料は、銅、アルミニウム、真鍮、熱エポキシ、ペースト、パッド等を含むことができ、少なくとも共振器の磁性材料の熱伝導率（市販のフェライト材料によっては約５Ｗ／（Ｋ−ｍ））である熱伝導率を有する任意の材料であり得る。熱伝導材料も導電性である実施形態では、材料は、短絡及び磁性材料又は共振器の導体ループとの直接電気接触を防止するために、電気絶縁体の層又はコーティングを必要とし得る。
【０１２９】
実施形態では、熱伝導材料ストリップを用いて、熱を共振器構造から熱エネルギーを安全に散逸できる構造又は媒体へ伝導することができる。実施形態では、熱伝導性ストリップを、その導体ストリップの上に位置付けた大きな板等のヒートシンクに接続することができ、これは、受動若しくは強制対流、放射、又は環境への伝導を用いて熱エネルギーを散逸できる。実施形態では、システムは、熱伝導性ストリップから熱エネルギーを散逸できる共振器構造の内外にあり得ると共に液体冷却システム、強制換気システム等を含み得る、任意の数の能動冷却システムを含み得る。例えば、熱伝導性ストリップは、中空であり得るか、又は磁性材料を冷却するために圧送されるか又は押し出され得る冷媒用のチャネルを含み得る。実施形態では、電気良導体（銅、銀、アルミニウム等）で作られた場偏向器（field deflector）が、ヒートシンク装置の役割を兼ねることができる。磁性材料と場偏向器との間の空間への熱伝導及び導電性ストリップの追加は、その空間内の電磁場が場偏向器の存在により通常は抑制されるので、摂動Ｑに対して僅かな効果を及ぼし得る。かかる導電性ストリップを磁性材料及び場偏向器の両方に熱的に接続して、異なるストリップ間での温度分布をより均一にすることができる。
【０１３０】
実施形態では、熱伝導性ストリップ同士を離間させて、少なくとも１つの導体ループが磁性材料に巻き付くことができるようにする。実施形態では、熱伝導材料ストリップは、磁性材料の隙間又は継目のみに位置決めされ得る。他の実施形態では、ストリップは、実質的にその完全長にわたって磁性材料と接触するよう位置決めされ得る。他の実施形態では、ストリップは、磁性材料内の磁束密度に一致するように分配され得る。共振器の通常動作下でより高い磁束密度を有し得る磁性材料区域は、熱伝導性ストリップとのより高い接触密度を有し得る。例えば図１７Ａに示す実施形態では、磁性材料内の最高磁束密度は、磁性材料ブロックの中心に向かって観察することができ、より低い密度は、共振器の双極子モーメントの方向にブロックの端部に向かって観察することができる。
【０１３１】
熱伝導性ストリップの使用が、潜在的なホットスポットの温度だけでなく磁性材料の全体的温度を低下させるのにどのように役立つかを示すために、本発明者らは、図１７Ｃに示すものに類似した共振器構造の有限要素シミュレーションを実行した。シミュレートした構造は、周波数２３５ｋＨｚで動作し、それぞれが４０Ａのピーク電流を搬送する巻数１０回のリッツ線（構造の対称面から２５ｍｍ、４０ｍｍ、５５ｍｍ、９０ｍｍ、及び１０５ｍｍに対称的に配置した）で励磁した３０ｃｍ×３０ｃｍ×５ｍｍのＥＰＣＯＳ  Ｎ９５磁性材料ブロックを含み、これは、中心軸を構造の対称面から−７５ｍｍ、０ｍｍ、及び＋７５に配置した３つの３×３／４×１’のアルミニウム（合金６０６３）の中空正方形管（肉厚１／８’’）を用いて、５０ｃｍ×５０ｃｍ×４ｍｍの場偏向器に熱的に接続されている。場偏向器及び中空管に起因する摂動Ｑが（中空管のない同一構造の１７１０と比べて）１４００であることが分かった。シールド及び管において放散した電力は３５．６Ｗと計算された一方で、磁性材料において放散した電力は５８．３Ｗであった。構造が空気対流及び放射と２４℃の周囲の温度とによって冷却されると仮定すると、構造内の最高温度は（中空管の間のほぼ中間にある磁性材料内の点において）８５℃であったが、磁性材料のうち中空管に接触している部分における温度は約６８℃であった。比較すると、熱伝導性中空管のない同一の共振器が、同一の４０Ｗピークの励磁電流に対して磁性材料において６２．０Ｗを放散し、磁性材料における最高温度が１１１℃であることが分かった。
【０１３２】
導電性ストリップの利点は、管と良好に熱的接触する磁性材料の一部に欠陥を導入した場合でもさらになお明らかである。磁性材料の中心に配置して双極子モーメントに対して垂直向きにした長さ１０ｃｍの０．５ｍｍ空隙は、磁性材料において放散される電力を６９．９Ｗ（前述した欠陥のない例に対して追加の１１．６Ｗが、その空隙の近くに極めて集中している）まで増加させるが、伝導管は、磁性材料の最高温度が、１１℃〜９６℃の比較的緩やかな上昇のみであることを確実にする。一方、伝導管がない場合の同じ欠陥は、その欠陥の近くの最高温度が１６１℃となる。伝導管本体を大きな熱質量と熱的に接続すること又はそれらを能動的に冷却すること等の対流及び放射以外の冷却解決手段は、同じ電流レベルで、この共振器に対するさらに低い動作温度をもたらすことができる。
【０１３３】
実施形態では、熱伝導性材料ストリップは、磁性材料に不規則な隙間を生じ得る亀裂を発生させる可能性が最も高い区域に位置決めされ得る。かかる区域は、材料に高応力若しくは高歪み区域、又は共振器のパッケージングからの支持又はバッキングが弱い区域であり得る。戦略的に位置決めした熱伝導性ストリップは、亀裂又は不規則な隙間が磁性材料に発生すると磁性材料の温度がその臨界温度未満で維持されることを確実にし得る。臨界温度は、磁性材料のキュリー温度、又は共振器の特性が所望の性能パラメータを超えて劣化した任意の温度として定義され得る。
【０１３４】
実施形態では、ヒートシンク構造は、磁性材料に対する機械的支持を提供し得る。実施形態では、ヒートシンク構造は、共振器に外部の衝撃及び振動だけでなく（熱膨張、磁気歪み等に起因する）その素子の固有寸法の変化に対するより大きな耐性を提供するために（例えば、エポキシ、熱パッド、及び構造の種々の素子を熱的に接続するのに適した機械的特性を有するもの等を用いることにより）所望量の機械的弾力性を有するよう、また亀裂及び他の欠陥の形成を防止するよう設計され得る。
【０１３５】
共振器が磁性材料に巻き付いた直交巻線を備える実施形態では、導体材料ストリップを、２つの直交する隣接ループ組により画定された区域内の磁性材料と熱的に接触するよう調整することができる。実施形態では、ストリップは、磁性材料と少なくとも１つの点で熱的に接触しながら少なくとも１つの直交巻線の導体の周りに嵌まるように適切な窪みを含み得る。実施形態では、磁性材料は、隣接ループ間に配置した複数の熱伝導性ブロックと熱的に接触し得る。熱伝導性ブロックはさらに、良熱導体により熱的に相互接続及び／又は放熱され得る。
【０１３６】
本明細書の記載全体を通して、材熱伝導性材料ストリップという用語を材料の形状の例示的な見本として用いたが、当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく任意の形状及び外形で置き換えることができることを理解すべきである。正方形、楕円形、ストリップ、点状、細長形状等は全て、本発明の趣旨の範囲内にある。
【０１３７】
医療及び手術用途
無線電力伝達は、病院及び手術室環境で用いることができる。多数の電気及び電子機器を病院及び手術室で用いて、患者の監視、薬物の投与、医療処置の実施、管理及び医療記録の維持等を行う。電気及び電子機器は、多くの場合、移動され、再位置決めされ、患者と共に移動され、又は患者に取り付けられる。頻繁な移動は、装置への電力供給に関連した問題となり得る。移動及び再位置決めの多い機器及び電子装置は、絡まり、引っ張られ、プラグが抜ける、またつまずく危険等をもたらすケーブルに起因して、電力ケーブルの危険及び管理問題を引き起こす可能性がある。直接の電気接続なしで一定期間動作可能なバッテリーバックアップを備えた装置は、頻繁な充電又は装置の使用又は再位置決めのたびにコンセントに対するプラグの挿抜を必要とする。無線電力伝達を用いて、病院及び手術室環境における従来の有線接続の問題及び危険をなくすことができる。
【０１３８】
無線電力伝達を用いて、手術用ロボット、機器、センサ等に給電することができる。多くの医療処置及び外科手術は、ロボット又はロボット設備を利用して医療処置又は手術を実施又は補助する。無線電力伝達を用いて、ロボット設備、その設備の一部、又はその設備が操作する器具若しくはツールに電力を伝達することができることで、危険で面倒な可能性のあるシステムの配線を減らすことができる。
【０１３９】
無線電力伝達を利用する手術用ロボットの一構成例を図１８に示す。この図は、手術用ロボット１８０６及び手術用ベッド１８０４を示す。手術用ロボットは、ベッド、床、又は他の構造に埋設した無線源から無線で給電され得る。無線エネルギー伝達は、電力ケーブルの位置を変えることなくロボットを再位置決めすることを可能にし得る。いくつかの実施形態では、手術用ロボットは、操作又はそのバッテリー若しくはエネルギー蓄積システムの充電のために電力を無線で受け取ることができる。受け取った電力は、システム又は、モーター、コントローラ等の部品に従来の有線法で分配され得る。手術用ロボットは、供給源が生成した振動磁気エネルギーを捕捉するために、そのベース１８１６、ネック１８０２、主構造１８０４等に装置共振器を有し得る。いくつかの実施形態では、ロボットは、手術用ベッドに一体化されるか、取り付けられるか、又は隣接する供給源１８１４から無線で給電され得る。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、供給源共振器又は装置共振器は、図１９に示すように、関節アーム、すなわち移動又は構成可能延長部に取り付けることができる。アームすなわち移動延長部１９０２は、十分な電力レベルがロボットに送られることを確実にするように供給源又は装置を再配置するために、ロボットの位置変化、電力需要、又は無線電力伝達効率に応答するよう構成され得る。いくつかの実施形態では、可動の供給源又は装置を、オペレータが手動で移動させてもよく、又は自動化若しくはコンピュータ化し、供給源と装置との間の特定の分離範囲又は向きに一致させるか又はこれを維持するように構成してもよい。
【０１４１】
実施形態では、可動アームすなわち延長部は、供給源と装置との間に位置オフセット、不一致、横方向オフセット、又は高さオフセットがあり得る状況又は構成で用いることができる。実施形態では、供給源共振器又は装置共振器を収納するか、又は供給源共振器又は装置共振器の位置決めに用いられる可動アームは、コンピュータ制御することができ、最良の電力伝達効率を得るために自律的に自らを位置決めすることができる。例えば、アームは、あらゆる方向に移動して最も効率的な構成又は位置を走査することができ、学習アルゴリズム又は他のアルゴリズムを用いてその位置及び位置合わせを微調整することができる。実施形態では、コントローラは、インピーダンス、電力、効率、電圧、電流、品質係数、結合率、結合定数測定等を含むがこれらに限定されないセンサからの任意の数の測定値を用いて、最良又は最高の効率位置を揃えるか又は求めることができる。
【０１４２】
他の実施形態では、手術用ロボットは、無線電力伝達を用いて、ロボットによって操作されるか又はロボットに組み込まれているロボットのモーター、センサ、ツール、回路、装置、又はシステムに給電することができる。例えば、多くの手術用ロボットは、複数の運動自由度を有する複雑な付属物を有し得る。ワイヤの嵩高性、不撓性、又は信頼性欠如に起因して、付属物の種々の継手又は可動部品に沿って、又はそれらを介して電力を供給することは困難であり得る。
【０１４３】
同様に、処置に必要な様々なツール又は器具への給電は、体液の存在下での電力接続及びコネクタに関する信頼性及び安全性の問題を引き起こし得る。手術用ロボットは、付属物又はツールに位置する１つ又は複数の供給源共振器１８０２及び１つ又は複数の装置共振器１８１０、１８１２を利用してモーター、電子機器、又は装置に給電し、付属物の移動、又はロボットが操作する患者の内外にあり得る、ツール、カメラ等への給電を可能にすることができる。電力は、付属物の関節又は回転に関係なくワイヤを一切用いずに無線で伝達することができ、付属物の関節能力の程度を向上させることができる。いくつかの実施形態では、供給源は、ロボットに組み込まれ、独自の電力を無線で又は有線接続から受け取り得るロボットによって給電されることができる。いくつかの実施形態では、付属物及びツールに給電する供給源を、手術用ベッドの上、ベッドの下、又は患者の隣に取り付けることができる。
【０１４４】
当業者に理解されるように、説明及び図示したシステムは、特定の例示的な実施形態であり、システムは、種々の形状及び能力、ツール等を有する多くの異なるロボット装置のいずれか１つを利用することができる。同様に、供給源は、用途及びロボットの使用に応じて、任意の数の種々の寸法の物体に取り付けることができる。供給源は、図１８に示すように、手術室のベッド又は台に取り付けることができる。他の実施形態では、供給源は、床、壁、天井、他の装置等に取り付けることができる。
【０１４５】
無線電力伝送を用いて、ＩＶ又は薬物送達ラック又はコンピュータスタンド等の可動機器に給電又は充電することができる。かかるスタンド又はラックは、多くの場合は一時的に再位置決めされるか又は患者と共に場所を移動される。これらのラックに取り付けた電子装置は、多くの場合はバッテリーバックアップを有することで、それらが移動又は再位置決めされて機能を維持できるように直接の電気接続なしでそれらを一定期間動作できるようにする。しかしながら、従来のラックは、移動又は再位置決めされるたびに、充電又は給電のためにコンセントに対してプラグを挿抜する必要があり、ケーブルを巻くか又は他のケーブルから解かなければならない。
【０１４６】
従来の可動の有線薬物送達ラック、患者監視ラック、又はコンピュータラックに伴う問題は、無線電力伝送システムを装置に一体化ことにより克服することができる。例えば、薬物送達ラック及びコンピュータラックの実施形態例を図２０Ａ及び図２０Ｂに示す。装置共振器２００８、２００６並びに電力及び制御回路が、ラックのベース若しくは本体又は支持構造に組み込まれるか、又は取り付けられて、床、壁、充電ステーション、又は他の物体に搭載した供給源共振器からの無線電力伝達を可能にすることができる。充電又は給電のために、ラック２００２又はスタンド２０１４は、供給源に近接して、供給源から１メートル以内の距離に、又は供給源から１フィート以内に離れて位置決めされ得る。無線電力伝送可能なラック及び電気機器は、プラグ挿抜又はケーブル管理を必要としない。無線電力伝達可能なラック及び電気機器は、ラック又は電気機器を部屋の特定区域に、又は床、カーペット、壁、幅木、他の機器等に組み込まれ得る供給源に近接して、位置付けることにより給電され得る。この構成では、例えば、患者を測定又は診断するために短期間だけ用いることができる装置又はラックは、機器の精密な位置決め又はプラグ挿抜を必要とすることなく、測定を行うために充電場所から患者の近くのどこかに移動させ、充電位置に戻すことができる。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、無線エネルギーを捕捉する装置は、共振器に加えてさらなる電気コンポーネント及び電子コンポーネントを必要とし得る。本明細書に記載するように、付加的な交流・直流変換器、交流・交流変換器、整合ネットワーク、能動コンポーネントが、共振器からの電圧及び電流を給電対象の装置が使用可能であり得る電圧及び電流に調整、制御、及び変換するために必要であり得る。焼灼装置（cauterizers）、電気メス等の手術道具は、振動高電圧を用いて組織を効果的に切断、刺激、又は焼灼する。装置共振器における振動動電圧を直接用いてかかる装置に給電することで、そのサイズ、費用、及び複雑性を低減することができる。
【０１４８】
例えば、いくつかの実施形態では、焼灼装置等の手術道具に、１つ又は複数の供給源共振器から磁気エネルギーを捕捉することが可能な装置共振器を装着することができる。インダクタンス、品質係数、抵抗、供給源共振器に対する距離、供給源共振器の電力出力、周波数等に応じて、装置共振器における電圧及び電流のパラメータは、組織を直接焼灼又は切断するのに十分であり得る。１ＫＨｚ〜５ＭＨｚを超える周波数で電圧３０ボルト以上を装置共振器で発生させることができ、手術道具の出力として直接用いることができる。いくつかの実施形態では、電圧及び電流検知回路等の監視回路を無線通信能力と共に装置共振器に組イオンで、測定値を供給源に中継することができる。供給源は、受け取った電流値及び電圧値を監視してその動作パラメータを調整し、装置において特定の電圧、周波数、又は電流を維持するか又はオペレータの入力に応答して電流又は電圧を調整することができる。
【０１４９】
埋め込み型装置の無線電力伝達
実施形態では、無線電力伝達を用いて、人又は動物に埋め込まれ得る電子装置、機械装置等の装置に電力を送ることができる。機械的循環補助（ＭＣＳ）装置、心室補助装置（ＶＡＤ）、埋め込み型除細動装置（ＩＣＤ）等の埋め込み型装置は、長期間にわたる手術用の外部エネルギー源を必要とし得る。患者及び状況によっては、埋め込み装置には、一定又はほぼ一定の動作が必要であると共に外部電源への接続を必要とする相当の電力需要があり、これには経皮的ケーブル又は患者の皮膚を通して外部電源へ至るケーブルが必要であることで、感染の可能性を高めると共に患者の快適性を低下させる。
【０１５０】
埋め込み装置には、周期的又は連続的動作のために１ワット以上の電力又は１０ワット以上の電力を必要とし得るものがあるが、電池の頻繁な交換又は埋め込み装置の起動後の交換が必要となるので、これは患者に埋め込んだ電池エネルギーのみで動作する内蔵式システムを非実用的にする。
【０１５１】
実施形態では、本明細書に記載の無線電力伝達を用いて、皮膚配線を通す必要なく電力を埋め込み装置に送ることができる。実施形態では、無線電力伝達を用いて、埋め込まれた充電式電池、スパーキャパシタ、又は他のエネルギー蓄積コンポーネントに対する給電及び充填を周期的又は連続的に行うことができる。
【０１５２】
例えば、図２２Ａに示すように、電気エネルギーを必要とする埋め込み装置２２０８が、患者２２０２又は動物に埋め込んだ高Ｑ装置共振器２２０４に有線接続２２０６され得る。装置共振器は、振動磁場を介して１つ又は複数の外部高Ｑ共振器２２１２からエネルギーを無線で受け取るよう構成され得る。実施形態では、付加的な電池又はエネルギー蓄積コンポーネントを患者に埋め込んで、装置共振器及び埋め込み装置に結合することができる。内部電池は、装置共振器から捕捉の捕捉エネルギーを用いて充電することで、無線電力が伝達されないか又は患者に対して一時的に中断された場合でも埋め込み装置がしばらくの間は動作することを可能にすることができる。無線電力システムの実施形態を含むブロックコンポーネントを図２２Ｂに示す。患者内に埋め込んで、共振器の動作を制御及びチューニングする電力及び制御回路（図示せず）に結合した装置共振器２２０４は、同じく患者に埋め込んだ充電池器電池又は他のエネルギー蓄積素子２２１０に結合することができる。外部共振器２２１２が生成して装置共振器が捕捉したエネルギーを用いて、電池を充電するか又は埋め込み装置２２０８に直接給電することができる。
【０１５３】
本明細書に記載の高Ｑ共振器供給源及び装置に基づく無線エネルギー伝達システムは、従来の誘導ベースシステムよりも大きな分離距離及び大きな横方向オフセットを許容し得る。患者に埋め込んだ装置共振器は、患者の複数の側面及び角度で通電され得る。例えば、患者の腹部に埋め込んだ装置共振器は、患者の後ろから供給源で通電され得る。同じ装置共振器を、患者の腹部前面に位置決め下供給源から通電して、供給源に対してより柔軟な位置決め及び向き構成の選択肢を与えることができる。
【０１５４】
実施形態では、共振器及び電池を、埋め込み装置と実質的に連続したユニットに一体化してもよい。他の実施形態では、装置共振器及び電池は、埋め込み装置と別個であってもよく、装置に電気的に有線接続されてもよい。共振器は、本体のうち装置とは異なる部分、本体の外部供給源共振器へよりアクセスし易い部分、患者にとってあまり目障りでない部分等に埋め込むことができる。実施形態では、装置共振器は、患者の臀部若しくは臀部付近、又は患者の腰部等に埋め込むことができる。実施形態では、共振器のサイズ及び配置は、埋め込み装置が必要とする電力量、無線電力伝達の距離、給電又は充電の頻度等に応じて変わる。例えば、いくつかの実施形態では、少なくとも２ｃｍ離れて５ワット以上の電力を送ることが可能なまま人に埋め込み易いように、７ｃｍ×７ｃｍ未満の装置共振器を用いることが好ましい場合がある。
【０１５５】
実施形態では、埋め込み装置共振器は、本明細書に記載のキャパシタネットワークに結合したリッツ導体の５つのループを備えた丸形又は矩形の平面容量性負荷導体を含み得る。実施形態では、埋め込み装置共振器を、損失を最小化するために主に非金属性の材料を含む筐体に、又は非金属材料を含む少なくとも１つの側面を有する筐体に入れることが好ましい場合がある。
【０１５６】
実施形態では、埋め込み医療装置は、任意の巻数のリッツ線、磁性ワイヤ、標準ワイヤ、プリント回路板上のトレース等の導電リボン等からなる誘導素子を備え得る。実施形態では、埋め込み医療装置は、磁性材料、フェライト等を含むことができ、１３．５６ＭＨｚ又は１００ｋＨｚ以上等の特定の周波数又は周波数範囲に最適化され得る。
【０１５７】
実施形態では、患者は、無線で給電又は充電される２つ以上の埋め込み装置を有し得る。実施形態では、複数の装置を単一の供給源により又は複数の供給源により給電又は充電することができる。実施形態では、複数の装置が同じ共振周波数又は異なる共振周波数で動作し得る。供給源共振器、中継器共振器、又は装置共振器は、電力を受け取るか又は共有するよう周波数をチューニングすることができる。
【０１５８】
実施形態では、磁気共振器は、他の磁気共振器と通信する手段を備え得る。かかる通信を用いて、無線で給電される医療装置の動作を他の無線システムと協働させることができる。例示的な環境では、埋め込み装置共振器は、別の無線電力システムの高電源に近接してその動作パラメータを調整することができる。一実施形態では、医療装置供給源は、ある領域における別の無線電源と通信し、且つかかる領域で注意を回避するか又は注意するよう患者と通信し得る。
【０１５９】
高Ｑ装置共振器及び任意の高Ｑ供給源共振器を備えた実施形態は、従来の誘導ベースシステムよりも効率的な無線電力伝達を可能にし、且つ従来の誘導ベースシステムよりも大きな供給源共振器及び装置共振器の分離距離及び横方向オフセットを許容することができる。本明細書に記載の無線電力伝達システムの高効率は、患者に埋め込んだ共振器にとって極めて重要であり得る共振器の加熱及び発熱を低減する。記載した共振器は、コンポーネントの温度が５０℃を超えないように素子の著しい加熱を伴わずに５ワット以上の電力を伝達することができる。
【０１６０】
外部供給源共振器と埋め込み装置共振器との間の分離距離及び横方向オフセットに対する許容により、供給源共振器の配置をより自由にすることができる。本明細書に記載の無線電力伝達システムの使用は、供給源共振器の移動又は変位が埋め込み装置への電力伝達を妨げないので患者にとっての安全性も高める。
【０１６１】
実施形態では、患者がバックパック、ヒップパック、衣服等に装着した供給源共振器から、埋め込み装置共振器へ電力を伝達することができる。例えば、図２３Ａに示すように、供給源共振器２３０４を衣服に埋設して人２３０２が着用することができ、供給源共振器２３０４を電力及び制御回路及び電池（図示せず）に有線接続して、電力を埋め込み装置共振器（図示せず）に送ることができる。他の実施形態では、図２３Ｂ、図２３Ｃ、及び図２３Ｄに示すように、供給源共振器及び電源をバックパック又はバッグに収容することができる。バッグパック２３０６又は他のバッグ２３１２は、患者が装着すると供給源共振器が患者に埋め込んだ装置共振器と実質的に位置合わせされるような場所で、供給源共振器２３０８、２３１４と一体化され得る。例えば、臀部又は腰部に埋め込んだ装置共振器の場合、図２３Ｄに示すようにバッグパックを患者が装着すると、供給源共振器を腰部の部分に一体化したバッグパックが供給源共振器及び装置共振器の実質的な位置合わせを提供する。実施形態では、バッグパック又はバッグは、バッグ内にある内部エネルギー蓄積装置又は電池の無線充電用のさらに別の装置共振器２３１０をさらに備えることができる。バッグパックは、外部供給源共振器又は充電ステーション付近に配置して無線で充電することができる。いくつかの実施形態では、バッグパック又はバッグの供給源共振器及び装置共振器は、使用に応じて供給源と装置との間で機能を入れ替える同一の物理的共振器であり得る。
【０１６２】
実施形態では、外部供給源共振器は、椅子、ベッド、長椅子、自動車座席等の家具に組み込むことができる。本明細書に記載の高Ｑ無線電力伝達システムの位置ずれに対する許容により、共振器を、埋め込み装置共振器に比較的近い（すなわち、２５ｃｍ以内）区域の家具に組み込んで、患者のデスクワーク中及び椅子又は長椅子での着席中、運転中、就寝中等に、埋め込み装置共振器及び埋め込み装置に電力を伝達することができる。
【０１６３】
実施形態では、埋め込み型装置用の無線電力伝達システムは、中継器共振器を含み得る。中継器共振器を用いて、供給源共振器と装置共振器との間のエネルギー伝達を改善することができ、且つ全体的な結合及び電力伝達効率を高めることができる。本明細書に記載のように、装置共振器に近接して位置決めした中継器共振器は、遠位の供給源共振器から装置共振器への無線電力伝達効率を高めることができる。
【０１６４】
実施形態では、中継器共振器は、供給源と装置との間のエネルギー伝達を改善するよう位置決めされる。効率又は結合を最大限に改善させる中継器共振器の位置は、用途、共振器のサイズ、距離、共振器の向き、損失性物体の場所等に応じて決まる。いくつかの実施形態では、無線エネルギー伝達効率の改善は、中継器共振器を供給源共振器と装置共振器との間に位置決めすることにより得ることができる。他の実施形態では、中継器共振器を斜めに（angled）又は装置よりも供給源から離れて位置決めすることが有利であり得る。中継器共振器の正確な配置は、試行錯誤で、シミュレーションで、又は特定の構成、電力需要、埋め込み装置等に関する計算で、実験的に求めることができる。
【０１６５】
システムの実施形態では、中継器共振器を患者の内部に位置決め又は位置付けしてもよく、又は患者の外部に位置付けてもよく、又はシステムが内部共振器及び外部共振器の両方を有していてもよい。中継器共振器は、患者の内部にあり得る、すなわち埋め込まれ得る。中継器共振器は、患者の皮膚の下に埋め込まれて装置共振器への結合を改善することができる。中継器共振器は装置に接続する必要がないので、埋め込み医療装置に接続した装置共振器よりも大きな中継器共振器の位置決め又は埋め込みが容易であり得る。装置共振器は、共振器と医療装置との間の距離制限又はサイズ制限に起因して、患者内の深くに埋め込まなければならない。中継器共振器は、キャパシタのネットワークに接続したリッツ線のような導体のループを含み得る。中継器共振器は、ケイ素又は他の埋め込み可能なプラスチック等の可撓性材料又はパッケージングに入れることができる。構造全体を皮膚の下で体内に埋め込んで、外部供給源と埋め込み装置との間の無線エネルギー伝達の微調整を行うことができる。
【０１６６】
実施形態では、中継器共振器は、患者の外部で衣服、パック、家具等に位置決めすることができる。例えば、直径２０ｃｍ以上の大きな中継器共振器を、ベスト、ローブ等の衣服又は取り付け可能なパッドに組み込んで、中継器共振器が重なるか又は埋め込み装置共振器に近接するように患者が装着することができる。中継器共振器は、完全に受動的であってもよく、電力及び制御用の付加的な回路を有していてもよい。中継器共振器を埋め込み装置共振器に近接して位置付けることで、埋め込み共振器のサイズを実質的に中継器共振器のサイズ又は中継器共振器のサイズに近いサイズに拡大し、より大きな距離にわたる埋め込み装置共振器及び装置へのより効率的な無線電力伝達を可能にすることができる。中継器共振器は、人への埋め込みに実用的である共振器よりもはるかに大きい場合がある。
【０１６７】
実施形態では、複数の中継器共振器を、患者の内外で身体の近辺にアレイ状又はパターン状に配置して、大きなオフセット範囲にわたる供給源から埋め込み装置への無線エネルギー伝達を可能にすることができる。各中継器共振器は、装置共振器からのその相対的な場所に基づき、埋め込み装置共振器への十分な結合を提供するよう具体的にチューニング又は構成され得る。
【０１６８】
実施形態では、部屋、浴室、車両等に大きな供給源共振器を装着して、中継器共振器を介して患者へ十分な電力を伝達することで、シャワー中、就寝中、料理中、仕事中等の連続的な電力伝達及び電力制限を可能にすることができる。
【０１６９】
実施形態では、中継器共振器は、不適合パラメータを有する無線エネルギーを埋め込み装置共振器に適合するパラメータを有する振動磁場に変換するために、無線電力変換器機能を含み得る。ベスト、バッグ等に組み込んだ無線電力変換器共振器は、患者により装着され、様々な供給源から無線電力を捕捉し、埋め込み装置共振器に適合するパラメータを有する埋め込み装置共振器へ捕捉した無線電力を伝達することができる。実施形態では、無線電力変換器は、太陽エネルギー、ＲＦ源、移動、運動等から無線電力を捕捉するよう構成してもよい。実施形態では、中継器共振器は、埋め込み装置共振器に送られる電力を制限する電力変換器として働くことで、患者へ送られる電力が多すぎることを防止することができる。
【０１７０】
実施形態では、中継器共振器又は無線電力変換器は、電力を受け取らなくなると聴覚、視覚、又は振動警報を有し得る。中継器共振器は、埋め込み装置に結合されていないことを検出することができるか、又は外部供給源から十分な電力を受け取っていないことを検出することができ、患者に警報するよう構成することができる。
【０１７１】
実施形態では、完全一体型の外部供給源共振器は、充電式電池、ＲＦ増幅器、及び供給源共振器を含む耐水性筐体に入れることができる。一体化した供給源及び回路は、ベルト又はストラップを取り付けることができるフォームファクタとすることで、一体型供給源が無傷な状態で患者が水泳又はシャワーを行うことを可能にすることができる。一体型の供給源及び回路は、内部電池充電回路及び整流器も有し得るので、共振器及び電子機器を捕捉モードに切り替えることにより無線で充電することができる。
【０１７２】
システムの実施形態では、装置共振器、供給源共振器、及び中継器共振器は、埋め込み共振器における放熱を制御するチューニング能力をふくみえる。無線エネルギー伝達中、供給源共振器の磁場により装置共振器に誘導された電流及び電圧が、抵抗損、内部損失等に起因した共振器素子の加熱を引き起こし得る。埋め込み共振器には、周囲組織の温度を望ましくないレベルに上昇させる前に安全に放熱できる熱量の制限があり得る。安全に放散することができる電力量は、共振器のサイズ、共振器の場所等に応じて決まり得る。いくつかのシステムでは、１ワット以上の電力が患者で安全に放散できる。
【０１７３】
患者の外部にある供給源共振器又は中継器共振器は、より高い放熱レベルを許容するよう設計することができる。外部の供給源共振器又は中継器共振器は、より高い安全電力放散又は加熱限度を有することができる。患者の外部にある供給源共振器又は中継器共振器は、５ワット以上の熱を安全に放散するよう設計することができ、ファン又は水冷等の能動冷却手段を含むことができ、１５ワット以上の電力を安全に放散することが可能であり得る。実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、装置共振器における放熱量を制御することができる。供給源共振器又は中継器共振器は、装置共振器よりも放熱をさらに許容可能であり得るので、無線エネルギー伝達システムは、装置共振器での放熱を低減するようチューニングすることができる。装置における放熱を低減するようチューニングしたシステムは、供給源共振器又は中継器共振器で生じる放熱性を高めたことで、より高い全体的放熱性を有し得る。
【０１７４】
装置共振器における放熱は、埋め込み装置共振器で振動する電流を低減することにより制御することができる。装置共振器における電流は、粗共振器の共振周波数をチューニングすることにより制御することができる。装置共振器における電流は、共振器のインピーダンスをチューニングすることにより制御することができる。
【０１７５】
実施形態では、装置共振器は、監視回路及び制御論理と共に１つ又は複数の温度センサを備え得る。温度閾値を検出すると、監視及び制御回路は、共振周波数を供給源共振器又は中継器共振器の共振周波数から離調させることができる。監視及び制御回路は、供給源共振器又は中継器共振器の共振周波数よりも高い共振周波数を離調させることができる。監視及び制御回路は、供給源共振器又は中継器共振器の共振周波数よりも低い共振周波数を離調させることができる。装置は、装置共振器の温度が安定するまで徐々に離調され得る。実施形態では、周波数を１％以上、又は１ｋＨｚ以上の単位で離調させることができる。
【０１７６】
当業者が理解するように、共振周波数は、可変キャパシタ、インダクタ、キャパシタのバンク等の装置共振器における可変コンポーネントで変更することができる。
【０１７７】
実施形態では、装置共振器の共振周波数の離調は、供給源又は中継器と装置との間でのエネルギー伝達効率を低下させ得る。装置へ送られる同じ電力レベルを維持するために、供給源は、電力出力を増加させる効率低下を補償する必要があり得る。実施形態では、装置共振器は、その共振周波数の調整及び供給源共振器の電力出力の調整を必要とし得る温度条件の供給源共振器に信号を伝えることができる。
【０１７８】
共振周波数の制御と同様に、共振器における電流及び電圧に影響し得る装置共振器の実効インピーダンスは、インダクタンス及びキャパシタンス等の共振器の成分を調整することにより制御することができる。実施形態では、インピーダンスは、装置の電力要件を変えることにより、又は装置の整流器若しくはスイッチング直流・直流変換器のスイッチング周波数、位相等を制御することによりチューニングすることができる。
【０１７９】
装置共振器は、コンポーネントの温度を継続的に監視し、温度の傾向を監視し、且つ温度を安定させるようコンポーネントの周波数及び値を調整することができる。
【０１８０】
実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、装置共振器における放熱を低減し且つ中継器共振器へ放熱を分配するようチューニングすることができる。埋め込み中継器共振器は、装置共振器より大きくすることができ、より小さな装置共振器よりも多くの熱を放散することが可能であり得る。同様に、中継器共振器は、患者の皮膚付近に埋め込むことで、患者が装着した外部冷却パック又はパッドで皮膚を通して中継器共振器を冷却することを可能にし得る。
【０１８１】
本発明の特定の好適な実施形態に関連して説明したが、他の実施形態が当業者には理解されるであろうし、法律により認められる最も広い意味で解釈されるものとする本開示の範囲内にあることが意図される。
【０１８２】
本明細書で参照した全ての文献は、その内容の全体を本明細書に完全に記載されるのと同様に援用する。
【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６】
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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１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【国際調査報告】
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