(57)【要約】第１の双極子モーメントを有する導電性の第１のループおよび第２の双極子モーメントを有する導電性の第２のループを備え、前記第１の双極子モーメントの向きが前記第２の双極子モーメントの向きと実質的に反対であるインダクタと、  前記第１のループおよび前記第２のループの少なくとも一方と直列の少なくとも１つのキャパシタと、を含む、磁気共振器。【選択図】図３８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の双極子モーメントを有する導電性の第１のループおよび第２の双極子モーメントを有する導電性の第２のループを備え、前記第１の双極子モーメントの向きが前記第２の双極子モーメントの向きと実質的に反対であるインダクタと、
前記第１のループおよび前記第２のループの少なくとも一方と直列の少なくとも１つのキャパシタと、
を備える、磁気共振器。
【請求項２】
前記磁気共振器のＱが１００より大きい、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項３】
前記第１のループおよび前記第２のループは実質的に同じサイズと巻数を有している、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項４】
前記第１の双極子モーメントの大きさおよび前記第２の双極子モーメントの大きさは実質的に同じである、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項５】
前記磁気共振器は無線電力源の１つのコンポーネントである、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項６】
前記磁気共振器は無線電力装置の１つのコンポーネントである、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項７】
前記磁気共振器は無線電力中継器の１つのコンポーネントである、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項８】
前記第１のループおよび前記第２のループは実質的に同一平面上にある、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項９】
前記磁気共振器の前記第１のループと前記第２のループは、前記第１のループの軸が前記第２のループの軸と実質的に平行となるように方向づけられる、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項１０】
前記キャパシタは可変キャパシタである、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項１１】
前記インダクタと並列に、第２のキャパシタを更に備える、請求項１に記載の磁気共振器。
【請求項１２】
それぞれが大きさおよび向きを備える双極子モーメントを有する、複数の導電性のループと、
予め定められた遠距離場の放射レベルを生成するために、前記複数の導電性のループのうち少なくとも１つのループの双極子モーメントを調整する制御システムと、
を備える、磁気共振器。
【請求項１３】
前記複数の導電性のループのそれぞれの双極子モーメントの和がほぼゼロである、請求項１２に記載の磁気共振器。
【請求項１４】
それぞれが大きさおよび向きを備える双極子モーメントを有する、複数の導電性のループを提供するステップと、
予め定められた遠距離場の放射レベルを生成するために、前記複数の導電性のループのうち少なくとも１つのループの双極子モーメントを選択的に変更するステップと、
を含む、方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの双極子モーメントを選択的に変更するステップは、
現在の遠距離場の放射レベルを測定するステップと、
現在の遠距離場の放射レベルと予め定められた遠距離場の放射レベルとの差を決定するステップと、
前記差を効果的に打ち消すために、前記複数の導電性のループのうちの少なくとも１つのループの少なくとも１つの双極子モーメントを選択的に変更するステップと、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記予め定められた遠距離場の放射レベルはほぼゼロである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
振動磁場を生成するための、少なくとも１つの高Ｑの磁気共振器と、
前記磁気共振器の双極子モーメントに対して実質的に垂直に配置される、少なくとも１つの導電性のプレートと、
を備える、無線電力源。
【請求項１８】
前記導電性のプレートは、前記磁気共振器の遠距離場において、前記磁気共振器の双極子放射を低減するように配置される、請求項１７に記載の無線電力源。
【請求項１９】
振動磁場の存在下で電流を生成するための、少なくとも１つの高Ｑの磁気共振器と、
前記磁気共振器の双極子モーメントに対して実質的に垂直に配置される、少なくとも１つの導電性のプレートと、
を備える、無線電力装置。
【請求項２０】
前記導電性のプレートは、前記磁気共振器の遠距離場において、前記磁気共振器の双極子放射を低減するように配置される、請求項１９に記載の無線電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年１月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／５９０，８５６号の利益を主張するものであり、この先行出願は参照によりそっくりそのまま本出願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、無線エネルギー伝送、このような伝送を達成する方法、システム及びデバイス、及びその応用に関する。
【背景技術】
【０００３】
ワイヤフリーであるが容易に配置及び設定が可能であるとともに多くの家庭用、工業用及び商業用デバイスを給電するために十分な電力を供給することができるエネルギー分配の方法及び設計が求められている。
【０００４】
パッケージング応用においては、大きなエリアに亘って無線エネルギーを分配するために共振器及び共振器アセンブリを配置することができる。使用可能な無線エネルギー伝送共振器及びコンポーネントが、２０１０年９月２３日に米国特許公開第２０１０／０２３７７０９号として公開された、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」と題する、共同所有されている米国特許出願第１２／７８９，６１１号、及び２０１０年７月２２日に米国特許公開第２０１０／０１８１８４３号として公開された、「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR RIFRIGERATOR APPLICATION」と題する、米国特許出願第１２／７２２，０５０号に記載されており、それらの全内容は、参照することにより、まるで本明細書に完全に記載されているかのように本明細書に組み込まれるものとする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
特に指示がない限り、本開示では無線エネルギー伝送、無線電力伝送、無線電力伝達などの用語を互換可能に使用している。当業者であれば、本出願に記載される広範囲の無線システム設計及び機能性によって様々なシステムアーキテクチャをサポートすることができることが理解されよう。
【０００６】
本開示は、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、変成器、スイッチなどの個別の回路コンポーネント及び要素について、回路網としてのこれらの要素の組合せ、トポロジ、回路等について、及び対象物全体に分布した（又は集中とは対照的に部分的に分布した）容量又はインダクタンスを有する「自己共振」などの固有の特性を有する対象物について言及する。当業者であれば、回路又は回路網内の可変コンポーネントを調整及び制御することによってその回路又は回路網の性能を調整できること及びそれらの調整は、チューニング、調整、整合、補正などとして一般的に記述することができることは理解されよう。無線電力伝送システムの動作点を調節又は調整する他の方法を単独で、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調節可能なコンポーネントの調整に加えて使用することもできる。当業者であれば、本開示で検討される特定のトポロジは様々な他の方法で実施することができることは理解されよう。
【０００７】
模範的で非限定的な実施形態によれば、磁気共振器は、第１の双極子モーメントを有する導電性の第１のループおよび第２の双極子モーメントを有する導電性の第２のループを備え、前記第１の双極子モーメントの向きが前記第２の双極子モーメントの向きと実質的に反対であるインダクタと、前記第１のループおよび前記第２のループの少なくとも一方と直列の少なくとも１つのキャパシタと、を備える。
【０００８】
別の模範的で非限定的な実施形態によれば、方法は、それぞれが大きさおよび向きを備える双極子モーメントを有する、複数の導電性のループを与えることと、予め定められた遠距離場の放射レベルを生成するために、少なくとも１つの前記複数の導電性のループの双極子モーメントを選択的に変更することと、を含む。
【０００９】
別の模範的で非限定的な実施形態によれば、磁気共振器は、それぞれが大きさおよび向きを備える双極子モーメントを有する、複数の導電性のループと、予め定められた遠距離場の放射レベルを生成するために、少なくとも１つの前記複数の導電性のループの双極子モーメントを調整する制御システムと、を備える。
【００１０】
別の模範的で非限定的な実施形態によれば、無線電力源は、高Ｑであって、振動磁場を生成する、少なくとも１つの磁気共振器と、前記磁気共振器の双極子モーメントと実質的に垂直に配置される、少なくとも１つの導電性のプレートと、を備える。
【００１１】
別の模範的で非限定的な実施形態によれば、無線電力装置は、高Ｑであって、振動磁場の存在下で電流を生成する、少なくとも１つの磁気共振器と、前記磁気共振器の双極子モーメントと実質的に垂直に配置される、少なくとも１つの導電性のプレートと、を備える。
【００１２】
特に断りのない限り、ここで使用するすべての技術的及び科学的用語は当業者に一般的に理解されている意味を有する。刊行物、特許出願、特許及び本開示に記述される又は参照により組み込まれる他の引用文献と矛盾する場合には、本明細書は定義を含んで規制されている。
【００１３】
上述した特徴のいずれも本開示の範囲から逸脱することなく単独で又は組み合わせて使用することができる。ここ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から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】無線エネルギー伝送構成のシステムブロック図である。
【図２】Ａ〜Ｅは、簡単な共振器構造の模範的な構造及び回路図である。
【図３】シングルエンデッド増幅器を備える無線源のブロック図である。
【図４】差動増幅器を備える無線源のブロック図である。
【図５】Ａ，Ｂは、検知回路のブロック図である。
【図６】Ａ〜Ｃは、無線源のブロック図である。
【図７】増幅器のパラメータへのデューティサイクルの影響を示す曲線である。
【図８】スイッチング増幅器を備える無線電力源の簡略回路図である。
【図９】無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。
【図１０】無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。
【図１１】Ａ〜Ｄは、無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。
【図１２】無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。
【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力源を備えた無線エネルギー伝送システムの簡略回路図である。
【図１４】無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。
【図１５】Ａは、分離距離の関数とした、固定サイズのデバイス共振器と異なるサイズのソース共振器との無線電力伝送効率のプロットである。Ｂは、プロットを生成するために使用される共振器の構成図である。
【図１６】Ａは、側方オフセットの関数とした、固定サイズのデバイス共振器と異なるサイズのソース共振器との無線電力伝送効率のプロットである。Ｂは、プロットを生成するために使用される共振器の構成図である。
【図１７】例示的なシステムの実施形態の導体の構成図である。
【図１８】例示的なシステムの実施形態の別の導体の構成図である。
【図１９】同じサイズの共振器のアレイ（array）を備えるソースの例示的なシステムの実施形態の図である。
【図２０】多くのサイズの共振器のアレイ（array）を備えるソースの例示的なシステムの実施形態の図である。
【図２１】平面共振器構造を有するサイズ調整可能なソースの例示的な実施形態の図である。
【図２２】Ａ〜Ｄは、調整可能なソースのサイズの使用シナリオを示す図である。
【図２３】中継器共振器を有する２つの共振器の構成を示す図である。
【図２４】中継器共振器を有する２つの共振器の構成を示す図である。
【図２５】Ａは、２つの中継器共振器を有する構成を示す図である。Ｂは、中継器共振器として機能するデバイス共振器を有する共振器の構成を示す図である。
【図２６】デスク環境で中継器共振器を利用するシステムの図である。
【図２７】複数の動作モードで動作し得る共振器を利用するシステムの図である。
【図２８】複数の動作モードを有するように構成される共振器の電力および制御回路の回路ブロック図である。
【図２９】Ａは、無線電力コンバータを利用するシステムの構成を示すブロック図である。Ｂは、中継器としても機能する無線電力コンバータを利用するシステムの構成を示すブロック図である。
【図３０】１つの無線電力コンバータを使用する異なる構成を示すブロック図である。
【図３１】Ａは、２つの分離した共振器とＡＣ−ＤＣコンバータを用いる無線電力コンバータのブロック図である。Ｂは、２つの分離した共振器とＡＣ−ＡＣコンバータを用いる無線電力コンバータのブロック図である。
【図３２】１つの共振器を用いる無線電力コンバータの回路ブロック図である。
【図３３】異なる大きさの共振器を有する無線電力コンバータを用いるシステム構成を示す回路図である。
【図３４】無線電力対応床タイルの実施形態の図である。
【図３５】無線電力対応床タイルの実施形態のブロック図である。
【図３６】無線電力対応床システムの図である。
【図３７】切断可能な共振器のシートの図である。
【図３８】四重極共振器ループの図である。
【図３９】四重極共振器ループの図である。
【図４０】追加のソース共振器を用いた双極子の相殺のシステム図である。
【図４１】追加のソースおよびデバイス共振器を用いた双極子の相殺のシステム図である。
【図４２】導体のシールドを用いた双極子の相殺のシステム図である。
【図４３】中継器共振器を用いた双極子の相殺のシステム図である。
【図４４】導電ループを用いる双極子の相殺のシステム図である。
【図４５】導電ループを用いる双極子の相殺のシステム図である。
【図４６】双極子の相殺のシステム図である。
【図４７】双極子の相殺のシステム図である。
【図４８】双極子の相殺のシステム図である。
【図４９】双極子の相殺のシステム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前述のとおり、本開示は、結合電磁共振器を使用した無線エネルギー伝送に関連する。しかし、かかるエネルギー伝送は、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送システムは、もっと一般的で、幅広い種類の共振器および共振物を用いて実施され得る。
【００１６】
当業者に認識されるように、共振器ベースの電力伝送に対する重要な考慮事項として、共振器効率および共振器結合がある。例えば、結合モード理論（ＣＭＴ：ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅ ｔｈｅｏｒｙ）、結合係数および因子、品質係数（Ｑ値とも呼ばれる）、およびインピーダンス整合など、かかる問題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２０１００２３７７０９としてとして公開された、「ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＡＲＲＡＹＳ ＦＯＲ ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＥＮＥＲＧＹ ＴＲＡＮＳＦＥＲ」という名称の米国特許出願第１２／７８９，６１１号、および２０１０年７月２２日に米国特許２０１００１８１８４３として公開された、「ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＥＮＥＲＧＹ ＴＲＡＮＳＦＥＲ ＦＯＲ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＯＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許出願第１２／７２２，０５０号で提供されており、それらの全内容は、参照することにより、まるで本明細書に完全に記載されているかのように本明細書に組み込まれるものとする。  
【００１７】
「共振器」は、エネルギーを少なくとも２つの異なる形態で保存できる共振構造として定義することができ、保存されたエネルギーは２つの形態の間で振動する。共振構造は、共振（モード）周波数ｆおよび共振（モード）電磁場をもつ特定の振動モードを有する。角共振周波数ωは、ω＝２πｆと定義され、共振周期Ｔは、Ｔ＝１／ｆ＝２π／ωと定義され、かつ、共振波長λは、λ＝ｃ／ｆと定義され、ここで、ｃは、関連電磁波（電磁共振器に対しては、光）の速度である。損失機構、結合機構または外部エネルギー供給もしくは排出機構がない場合は、共振器によって保存されるエネルギーの総量Ｗは一定のままであるが、エネルギーの形態は共振器でサポートされる２つの形態の間で振動し、その場合、一方の形態が最大のとき、他方の形態が最小であり、逆もまた同様である。
【００１８】
例えば、共振器は、保存されるエネルギーの２つの形態が磁気エネルギーおよび電気エネルギーとなるように構成し得る。さらに、共振器は、電場によって保存される電気エネルギーは主として構造内に閉じ込められるが、磁場によって保存される磁気エネルギーは主として共振器の周りの領域に存在するように構成し得る。言い換えれば、総電気エネルギーおよび磁気エネルギーは等しいが、それらの局在化は異なる。かかる構造を使用すると、少なくとも２つの構造の間でのエネルギー交換が、少なくとも２つの共振器の共振磁気近接場によって仲介され得る。これらのタイプの共振器は、「磁気共振器」と呼ばれ得る。
【００１９】
無線電力伝送システムで使用される共振器の重要なパラメータは、共振器の「品質係数」、または「Ｑ値」、または「Ｑ」であり、これは、エネルギー減衰を特徴づけ、共振器のエネルギー損失に反比例し、Ｑ＝ω＊Ｗ／Ｐと定義される。ここで、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をもつ共振器は比較的低い固有損失を有し、比較的長い間、エネルギーを保存することができる。共振器は、その固有の減衰率２Γでエネルギーを失うため、そのＱ（固有のＱとも呼ばれる）は、Ｑ＝ω／２Γによって与えられる。品質係数は、振動周期Ｔの数も表し、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。共振器の品質係数または固有の品質係数または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または負荷ｌに接続または結合された共振器のＱは、「負荷品質係数」または「負荷Ｑ」と呼ばれ得る。エネルギー伝送システムの一部にすることを意図していない外部物体の存在下での共振器のＱは、「摂動品質係数」または「摂動Ｑ」と呼ばれる。
【００２０】
それらの近接場の任意の部分を介して結合されている共振器は、相互に作用し、エネルギーを交換し得る。このエネルギー伝送の効率は、共振器が実質的に同一の共振周波数で動作する場合、著しく向上し得る。限定としてではなく一例として、Ｑｓをもつソース共振器、およびＱｄをもつデバイス共振器を仮定する。高Ｑ無線エネルギー伝送システムは、高Ｑである共振器を利用し得る。各共振器のＱは、高い可能性がある。共振器Ｑの幾何平均
【数１】
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も高いかもしれず、またはそれどころか高い。
【００２１】
「結合係数」ｋは、
【数２】
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の間の数であり、ソースおよびデバイス共振器がサブ波長の距離に置かれている場合、それらの共振周波数と無関係（または、ほとんど無関係）であり得る。むしろ、結合係数ｋは、ソース共振器とデバイス共振器との間の相対的配置および距離によってほとんど決定され、それらの結合を仲介する電磁場の物理的な減衰の法則が考慮に入れられる。ＣＭＴで使用される結合係数
【数３】
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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。共振器の近接場を利用する無線エネルギー伝送の適用例では、放熱によって失われる電力を減少できるように、共振器のサイズを共振波長よりもずっと小さくすることが望ましい。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に設計される。他の実施形態では、共振周波数は、１ＧＨｚ以下にし得る。
【００２２】
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およびシステムの動作周波数を低下させることによってさらに減少され得る。他の実施形態では、遠距離場の放射は、２つ以上の共振器の遠距離場を遠距離場内で破壊的に干渉するように配置することによって減少させ得る。
【００２３】
無線エネルギー伝送システムでは、共振器は、無線エネルギー源、無線エネルギー捕捉デバイス、中継器またはそれらの組み合わせとして使用され得る。実施形態では、共振器は、エネルギーの伝送、エネルギーの受信またはエネルギーの中継を交互に行い得る。無線エネルギー伝送システムでは、振動近接磁場を生成するために、１つ以上の磁気共振器がエネルギー源に結合され、附勢され得る。振動近接磁場内にある他の共振器は、これらの磁場を捕捉し、そのエネルギーを負荷に電力供給または充電するために使用し得る電気エネルギーに変換し、それによって有用なエネルギーの無線伝送を可能にする。
【００２４】
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デバイスを給電または充電するためにデバイスに供給する必要のあるエネルギーまたは電力である。有用なエネルギー交換に対応する伝送効率はシステムまたは用途に依存する。例えば、何キロワットもの電力を伝送する高電力車両充電の用途では、伝送システムの様々なコンポーネントを著しく加熱することなく、車両バッテリーを再充電するのに十分な有用なエネルギー交換を生じる有用な量の電力を供給するために、少なくとも８０％の効率にする必要があり得る。いくつかの家庭用電化製品の用途では、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送効率、または充電可能バッテリーを「満タン」に維持し、長時間動作を維持するために許容可能な他の任意の量を含み得る。埋め込まれた医療機器の用途では、有用なエネルギー交換は、患者に害を与えないが、バッテリーの寿命を延ばすもの、またはセンサもしくはモニターもしくは刺激装置を目覚めさせるものとし得る。かかる適用例では、１００ｍＷまたはそれ以下の電力が有用であり得る。分散センシングの用途では、マイクロワットの電力伝送が有用であり、伝送効率は１％を大きく下回っていてもよい。
【００２５】
電力供給または再充電用途における無線エネルギー伝送のための有用なエネルギー交換は、浪費されるエネルギーレベル、熱放散、および関連する場の強度が許容限度内であり、且つ費用、重量、サイズなどの関連要因と適切にバランスが取れている限り、効率的、又は非常に効率的、または十分に効率的にすることができる。
【００２６】
共振器は、ソース共振器、デバイス共振器、第１の共振器、第２の共振器、中継器共振器などと呼ばれ得る。実施態様は、３つ以上の共振器を含み得る。例えば、単一のソース共振器は、エネルギーを複数のデバイス共振器または複数のデバイスに伝送し得る。エネルギーは、第１のデバイスから第２のデバイスへ、次いで、第２のデバイスから第３のデバイスへ、などと伝送され得る。複数のソースは、エネルギーを単一のデバイス、または単一のデバイス共振器に接続された複数のデバイス、または複数のデバイス共振器に接続された複数のデバイスに伝送し得る。共振器は、交互にまたは同時に、ソース、デバイスとして機能することができ、かつ／または共振器は、ある位置のソースから別の位置のデバイスに電力を中継するために使用することができる。中間の電磁共振器は、無線エネルギー伝送システムの距離範囲を拡張するため、および／または集中近接磁場の領域を生成するために使用され得る。複数の共振器はデイジーチェーン接続して、延長された距離を渡り、広範なソースおよびデバイスでエネルギーを交換することができる。例えば、ソース共振器は、いくつかの中継器共振器を介して、電力をデバイス共振器に伝送し得る。ソースからのエネルギーは、第１の中継器共振器に伝送され、第１の中継器共振器は、電力を第２の中継器共振器に伝送し、そして、第２の中継器共振器は第３の中継器共振器に、といった具合に、最後の中継器共振器がそのエネルギーをデバイス共振器に伝送するまで伝送し得る。この点において、無線エネルギー伝送の範囲および距離は、中継器共振器を追加することにより、延長および／または調整し得る。高電力レベルは、複数のソースの間で分割され、複数のデバイスに伝送され、遠く離れた場所で再結合され得る。
【００２７】
共振器は、結合モード理論モデル、回路モデル、電磁場モデルなどを使用して設計され得る。共振器は、調節可能な特性サイズを有するように設計され得る。共振器は、異なる電力レベルを処理するように設計され得る。例示的な実施形態では、高電力共振器は、低電力共振器より大きな導体および高い電流または電圧の定格コンポーネントを必要とし得る。
【００２８】
図１は、無線エネルギー伝送システムの例示的な構成および配置の概略図を示す。無線エネルギー伝送システムは、エネルギー源１０２および必要に応じセンサおよび制御装置１０８に結合された、少なくとも１つのソース共振器（Ｒ１）１０４（必要に応じＲ６、１１２）を含み得る。エネルギー源は、ソース共振器１０４を駆動するために使用し得る電気エネルギーに変換できる、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、バッテリー、太陽電池パネル、電気幹線、風力または水力タービン、電磁共振器、発電機などであり得る。磁気共振器の駆動に使用される電気エネルギーは、共振器によって振動磁場に変換される。振動磁場は、必要に応じエネルギードレイン１１０に結合されるデバイス共振器（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、無線エネルギー伝送領域を延長または調整するように構成された中継器共振器（Ｒ４、Ｒ５）に必要に応じ結合される。デバイス共振器は、ソース共振器、中継器共振器および他のデバイス共振器の近傍の磁場を捕捉し、それらを、エネルギードレインで使用し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に構成された、電気、電子、機械または化学デバイスなどであり得る。中継器共振器は、ソース、デバイスおよび中継器共振器の近傍の磁場を捕捉し、そのエネルギーを他の共振器に渡し得る。
【００２９】
無線エネルギー伝送システムは、エネルギー源１０２に結合された単一のソース共振器１０４およびエネルギードレイン１１０に結合された単一のデバイス共振器１０６を含み得る。実施形態では、無線エネルギー伝送システムは、１つまたは複数のエネルギー源に結合された複数のソース共振器を含み、１つまたは複数のエネルギードレインに結合された複数のデバイス共振器を含み得る。
【００３０】
実施形態では、エネルギーは、ソース共振器１０４とデバイス共振器１０６との間で直接伝送され得る。他の実施形態では、エネルギーは、１つ以上のソース共振器１０４，１１２から１つ以上のデバイス共振器１０６，１１６へ、デバイス共振器、ソース共振器、中継器共振器などの任意の数の中間共振器を介して、伝送し得る。エネルギーは、トークンリング、メッシュ、アドホックなどのトポロジの任意の組み合わせで配列されたサブ回路網１１８，１２０を含み得る共振器の回路網又は配列１１４を介して、伝送し得る。
【００３１】
実施形態では、無線エネルギー伝送システムは、集中型の検出および制御システム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、回路網トポロジ、動作パラメータなどが、システムの特定の動作パラメータを満足するよう、制御プロセッサから監視および調整され得る。中央制御プロセッサは、大域的なエネルギー伝送効率を最適化するため、伝送する電力量を最適化するためなどのために、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得る。他の実施形態は、実質的に分散された検出および制御システムを有するように設計され得る。検出および制御は、各共振器または共振器のグループ、エネルギー源、エネルギードレインなどに組み込むことができ、供給される電力を最大または最小にするため、そのグループ内のエネルギー伝送効率を最大にするためなどのために、そのグループ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に構成することができる。
【００３２】
実施形態では、無線エネルギー伝送システムのコンポーネントは、デバイス、ソース、中継器、電力源、共振器などの他のコンポーネントへの無線または有線データ通信リンクを有し、分散型または集中型の検出および制御を可能にするために使用されるデータの送信および受信を行い得る。無線通信チャネルは、無線エネルギー伝送チャネルとは別個のチャネルにしてもよいし、または同一のチャネルにしてもよい。一実施形態では、電力交換に使用される共振器は、情報を交換するためにも使用し得る。ある場合には、情報は、ソースまたはデバイス回路内のコンポーネントを変調し、その変化をポートパラメータまたは他の監視装置でその変化を検出することにより交換することができる。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などの共振器パラメータの調整、変更、変化、ディザなどを行うことによって相互に信号を送り得る。本明細書に記載のシステムおよび方法は、無線電力伝送システム内の共振器間での電力および通信信号の同時伝送を可能にすることができ、また無線エネルギー伝送中に使用される同一の磁場を使用して、異なる期間中に、もしくは異なる周波数で、電力および通信信号の伝送を可能にすることができる。他の実施形態では、無線通信は、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮＦＣ、赤外線などの別個の無線通信チャネルで可能にすることができる。
【００３３】
実施形態では、無線エネルギー伝送システムは、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、システム内の様々な素子を制御することにより向上させることができる。例えば、低所要電力のデバイスは、それらの共振周波数を、高所要電力のデバイスに電力を供給する高電力源の共振周波数から離調させることができる。また、別の例ではより少ない電力を要するデバイスは、ソースからより少ない電力を引き込むように整流回路を調整できる。このように、低および高電力デバイスを単一の高電力源から安全に動作又は充電することができる。さらに、充電ゾーン内の複数のデバイスは、先着順サービス、ベストエフォートサービス、保証電力サービスなど、様々な消費制御アルゴリズムのうちの任意のものに従って調節された、それらのデバイスに利用可能な電力を見つけることができる。電力消費アルゴリズムは、本来は階層的であって、特定のユーザまたはデバイスのタイプに優先権を与えることができ、またはソース内で利用可能な電力を等しく分け合うことにより任意の数のユーザをサポートし得る。電力は、本開示に記述するいずれかの多重化技術によって分け合うことができる。
【００３４】
実施形態では、形状、構造、および設定の組み合わせを使用して、電磁共振器を実現または実施することができる。電磁共振器は、総インダクタンスＬをもつ誘導素子、分布インダクタンス、またはインダクタンスの組み合わせ、および総容量Ｃをもつ容量性素子、分布容量、または容量の組み合わせを含み得る。容量、インダクタンスおよび抵抗を含む電磁共振器の最小の回路モデルを図２Ｆに示す。共振器は、誘導素子２３８および容量性素子２４０を含み得る。キャパシタ２４０に蓄積される電場エネルギーのような初期エネルギーが与えられると、システムは、キャパシタが伝送エネルギーをインダクタ２３８に蓄積される磁場エネルギーに放出し、次いでインダクタ２３８が伝送エネルギーをキャパシタ２４０に貯蔵される電場エネルギーに戻すとき、振動する。これらの電磁共振器における固有損失は、誘導および容量性素子における抵抗ならびに放射損失に起因する損失を含み、図２Ｆ内で抵抗Ｒ２４２によって表される。
【００３５】
図２Ａは、例示的な磁気共振器構造の簡略図を示す。磁気共振器は、誘導素子２０２として機能する導体のループおよび導体ループの終端の容量性素子２０４を含み得る。電磁共振器のインダクタ２０２およびキャパシタ２０４はバルク回路素子してもよく、また分布インダクタンスおよび容量としてもよく、構造内の導体の形成、形状、または配置態様から得てもよい。
【００３６】
例えば、インダクタ２０２は、図２Ａに示すように、表面領域を囲むように導体を成形することによって実現し得る。このタイプの共振器は、容量性負荷ループインダクタと呼ばれ得る。任意の形状および寸法の表面を任意の数のターンで囲む導電構造（ワイヤ、チューブ、ストリップなど）を概して示すために「ループ」または「コイル」という用語が使用されることに留意されたい。図２Ａでは、囲まれた表面領域が円形であるが、表面は任意の多種多様の他の形状およびサイズとすることができ、特定のシステム性能仕様に達するように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、回路網、アレイ、インダクタおよびインダクタンスの直列および並列の組み合わせなどを使用して実現することができる。インダクタンスは、固定または可変とすることができ、インピーダンス整合並びに共振周波数動作条件を変えるために使用することができる。
【００３７】
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容量を実現する様々な方法がある。キャパシタ極板２０４を図２Ａに示すように形成し使用することができ、また容量はマルチループ導体の隣接する巻線間の分布容量で実現することもできる。容量は、キャパシタ素子、分布容量、回路網、アレイ、容量の直列および並列の組み合わせなどを使用して実現することができる。容量は、固定または可変とすることができ、インピーダンス整合並びに共振周波数動作条件を変えるために使用することができる。
【００３８】
磁気共振器で使用される誘導素子は、２つ以上のループを含むことができ、内側へまたは外側へまたは上方へまたは下方へまたはそれらのいくつかの組み合わせの方向へ螺旋状にすることができる。一般に、磁気共振器は、様々な形状、サイズおよびターン数を有することができ、また、様々な導体材料で構成することができる。例えば、導体２１０は、ワイヤ、リッツ線、リボン、パイプとすることができ、また導電インク、ペンキ、ジェルなどから形成された配線、または回路基板上にプリントされた単一もしくは複数の配線から形成された配線とすることができる。誘導ループを形成する回路基板２０８上の配線パターンの例示的な実施形態を図２Ｂに示す。
【００３９】
実施形態では、誘導素子は、任意のサイズ、形状、厚さなどの磁性材料であって、広範な透磁率および損失値をもつ磁性材料で形成することができる。これらの磁性材料は、固体ブロックとすることができ、それらは中空容積を囲むことができ、タイル張り又は積層された多数の磁性材料の小断片から形成することができ、且つ高導電性材料からなる導電性シートまたは筐体と統合することができる。導体は、磁場を生成するために磁性材料の周囲に巻き付けられる。これらの導体は、その構造の１つ以上の軸に巻き付けることができる。カスタマイズされた近接場パターンを形成するためおよび／または構造の双極子モーメントを正しい方向に向けるために、複数の導体を磁性材料に巻き付け、スイッチを介して並列または直列に組み合わせることができる。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のコアの周囲に巻かれた導体のループ２２４を備え、導体２２４のループの軸に平行な磁気双極子モーメント２２８を有する構造を生成する。共振器は、磁性材料２１４の周囲に直交する２方向に巻かれた複数の導体のループ２１６、２１２を備え、導体がどのように駆動されるかに応じて、図２Ｃに示すように２つ以上の方向に向けられ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。
【００４０】
電磁共振器は、その物理的特性によって決まる特性、固有または共振周波数を有し得る。この共振周波数は、共振器によって保存されるエネルギーが、共振器の電場ＷＥ（ＷＥ＝ｑ２／２Ｃ、式中ｑはキャパシタＣの電荷である）によって保存されるエネルギーと磁場ＷＢ（ＷＢ＝Ｌｉ２／２、式中ｉはインダクタＬを流れる電流である）によって保存されるエネルギーとの間で振動する周波数である。このエネルギーが交換される周波数は、共振器の特性周波数、固有周波数、または共振周波数と呼ばれ、ω：
【数４】
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によって与えられる。共振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスＬ、および／または容量Ｃを調整することによって変更し得る。一実施形態では、システムパラメータは、最適な動作状態にできるだけ近い状態にするため、動的に調節または調整可能である。しかし、前述した考察に基づき、いくつかのシステムパラメータが可変でなくても、またはコンポーネントが動的に調整できなくても、十分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。
【００４１】
実施形態では、共振器は、キャパシタおよび回路素子の回路網内に配置されている２つ以上のキャパシタに結合された誘導素子を備えることができる。実施形態では、キャパシタおよび回路素子の結合回路網は、共振器の２つ以上の共振周波数を定義するために使用することができる。実施形態では、共振器は、２つ以上の周波数で共振、または部分的に共振し得る。
【００４２】
実施形態では、無線電力源（ソース）は、電源に結合された少なくとも１つの共振器コイルで構成することができ、その電源はクラスＤ増幅器またはクラスＥ増幅器またはそれらの組み合わせなどのスイッチング増幅器とし得る。この場合、共振器コイルは、事実上、電源に対する電源負荷である。実施形態では、無線電力デバイスは、電源負荷に結合された少なくとも１つの共振器コイルで構成でき、その電源負荷は、クラスＤ整流器またはクラスＥ整流器またはそれらの組み合わせなどのスイッチング整流器とし得る。この場合、共振器コイルは、事実上、電源負荷に対する電源であり、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比にも直接関連する。電源と電源負荷との間の電力伝送効率は、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くらい厳密に一致しているかによって影響され得る。電力は、負荷の入力インピーダンスが電源の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限可能な効率で負荷に供給され得る。最大限の電力伝送効率を獲得するための電源または電源負荷の設計は、しばしば「インピーダンス整合」と呼ばれ、システムにおける有効対損失電力の比率の最適化と言うこともできる。インピーダンス整合は、電源と電源負荷との間にインピーダンス整合回路網を形成するために、キャパシタ、インダクタ、変圧器、スイッチ、抵抗などの素子の回路網または組み合わせを追加することによって行うことができる。実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整および変更が、インピーダンス整合を達成するために使用される。変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網は、負荷側の電源端子におけるインピーダンスおよび電源の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいても、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むことができる。
【００４３】
実施形態では、インピーダンス整合は、電源の駆動信号のデューティサイクル、および／または位相、および／または周波数を調整することにより、またはキャパシタなどの電源内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、もしくは、例えば少数の調整可能コンポーネントを有するような簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網を用いて、電源と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利である。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および／または周波数、および／または位相を電源に対して調整することにより、拡大した同調範囲または精度で、より高い電力、電圧および／または電流性能で、より高速な電子制御で、より少ない外部コンポーネントで、動的インピーダンス整合システムを生じ得る。
【００４４】
いくつかの無線エネルギー伝送システムでは、インダクタンスなどの共振器のパラメータは、周囲の物体、温度、向き、他の共振器の数および位置などの環境状態に影響され得る。共振器の動作パラメータにおける変化は、無線エネルギー伝送における電力伝送効率などの特定のシステムパラメータを変化し得る。例えば、共振器の近くに置かれている高伝導性材料は、共振器の共振周波数をシフトし、他の共振物から離調し得る。いくつかの実施形態では、リアクタンス素子（例えば、誘導素子または容量性素子）を変更することによりその周波数を修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、少なくともいくつかのシステムパラメータを動的に調節可能または調整可能にする必要がある。ほぼ最適な動作条件を達成するためには、すべてのシステムパラメータを動的に調節可能または調整可能にし得る。しかし、十分に効率的なエネルギー交換は、すべてまたはいくつかのシステムパラメータが可変でなくても、実現し得る。いくつかの例では、少なくともいくつかのデバイスは、動的に調整可能にしないことができる。いくつかの例では、少なくともいくつかのソース共振器は、動的に調整可能にしないことができる。いくつかの例では、少なくともいくつかの中間共振器は、動的に調整可能にしないことができる。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可能しないことができる。
【００４５】
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、動作環境または動作点の変化を受けると、相補的なまたは逆の向きもしくは方向に変化する特性をもつコンポーネントを選択することにより、軽減され得る。実施形態では、システムは、温度、電力レベル、周波数などによって逆の依存またはパラメータ変動を有する、キャパシタなどのコンポーネントを用いて設計することができる。いくつかの実施形態では、温度関数としてのコンポーネント値がシステムのマイクロコントローラ内のルックアップテーブルに保存され、温度センサからの読み取り値をシステム制御フィードバックループに使用して、温度によって誘導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。
【００４６】
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を調整可能なコンポーネントを含む能動調整回路で補償することができる。システムおよびコンポーネントの動作環境およ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補償するために必要な信号を提供し得る。例えば、温度の読取りは、システムの容量の予期される変化を計算するため、または、その容量の以前に測定された値を示すために使用し、所望の容量を温度範囲にわたって維持するために、他のキャパシタに切り替えるか、またはキャパシタを調整することによって補償を可能にすることができる。実施形態では、ＲＦ増幅器のスイッチング波形を、システム内のコンポーネント値または負荷変化を補償するように調整することができる。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、能動的な冷却、加熱、能動的な環境調整などを用いて補償することができる。
【００４７】
パラメータ測定回路は、システム内の特定の電力信号、電圧信号、および電流信号を測定または監視することができ、プロセッサまたは制御回路は、それらの測定値に基づいて特定の設定または動作パラメータを調整し得る。さらに、システム性能を測定または監視するために、システム全体における電圧信号および電流信号の振幅および位相、ならびに電力信号の振幅にアクセスすることができる。本開示を通して参照される測定信号は、電圧信号、電流信号、電力信号、温度信号などだけでなく、ポートパラメータ信号の任意の組み合わせとすることもできる。これらのパラメータは、アナログおよびデジタル技術を用いて測定することができ、それらはサンプリングおよび処理することができ、いくつかの既知のアナログおよびデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換することができる。実施形態では、特定の測定量のプリセット値がシステムコントローラまたは記憶場所にロードされ、様々なフィードバックおよび制御ループに使用される。実施形態では、測定された信号、監視された信号、および／またはプリセットされた信号の任意の組合せが、共振器および／またはシステムの動作を制御するために、フィードバック回路またはシステムに使用され得る。
【００４８】
磁気共振器の周波数Ｑおよび／またはインピーダンスを調整するために調整アルゴリズムを使用することができる。そのアルゴリズムは、入力としてシステムに対する所望の動作点からの偏移度に関連する基準信号を取り、その偏移に関連する補正または制御信号を出力し、システムを所望の動作点（または複数の動作点）に戻すためにシステムの可変または調整可能な素子を制御する。磁気共振器用の基準信号は、共振器が無線電力伝送システム内で電力を交換している間に取得することができ、またそれらはシステム動作中に回路から切り離すことができる。システムに対する補正は、継続的に、周期的に、閾値を超えるときに、デジタル的に、アナログ方法で、および同様の方法で、適用または実行することができる。
【００４９】
実施形態では、損失性外部材料および物体が、無線電力伝送システムの共振器の磁気および／または電気エネルギーを吸収することにより、効率低下を導入する可能性がある。これらの影響は、様々な実施形態において、損失性外部材料および物体の影響を最小限にするように共振器を位置決めすることによって、および電磁場成形用構造素子（例えば、導電性の構造、板、およびシート、磁性材料の構造、プレートおよびシート、ならびにそれらの組み合わせ）をそれらの影響が最小限になるように配置することによって、軽減され得る。
【００５０】
損失性材料の共振器への影響を低下させる１つの方法は、高導電性材料、磁性材料、またはそれらの組み合わせを、それらが損失性物体を回避するように共振器場を成形するために使用することである。例示的な実施形態では、高導電性材料およ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、それらの近くにある損失性物体を回避するように、その電磁場の調整、成形、方向づけ、再配向などを行うことができるようにしている。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、この導体シート２２６は、共振器の電磁場をその下にあり得る損失性物体を回避するように調整するために使用される。良導体２２６の層またはシートは、所与の用途に最も適しているので、銅、銀、アルミニウムなどの、任意の高導電性材料で構成することができる。特定の実施形態では、良導体の層またはシートは、共振器の動作周波数において導体の表皮厚さよりも厚い。導体シートは、好ましくは、共振器のサイズよりも大きく、共振器の物理的な範囲を超えて延在し得る。
【００５１】
伝送されている電力量が、アクティブな電磁場領域内に立ち入り得る人または動物に対して安全上の問題を示し得る環境およびシステムでは、安全対策がシステムに含められる。電力レベルが個別的安全対策を必要とする環境では、磁気共振器内の導電ループからの間隔または「キープアウェイ」ゾーンを提供するように共振器のパッケージング、構造、材料などを設計することができる。さらなる保護を提供するために、高Ｑ共振器ならびに電力および制御回路は、高い電圧または電流を筐体内に制限し、かつ、共振器および電気部品を、天候、湿度、砂、埃、および他の外部要素、ならびに衝突、振動、擦れ、爆発、および他のタイプの機械的衝撃から保護する、筐体内に配置することができる。かかる筐体は、電気部品およ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に熱散逸などの様々な要因に対して注意を必要とする。実施形態では、筐体は、複合材料、プラスチック、木材、コンクリートなどの非損失性材料で構成することができ、共振器コンポーネントと損失性物体との間の最小距離を提供するために使用することができる。損失性物体または金属性の物体、塩水、油などを含み得る環境からの最小分離距離は無線エネルギー伝送の効率を向上させ得る。実施形態では、共振器または共振器のシステムの摂動Ｑを増加させるために、「キープアウェイ」ゾーンを使用することができる。実施形態では、最小分離距離は、より確実な、またはより不変な共振器の動作パラメータを提供し得る。
【００５２】
実施形態では、共振器ならびにそれらそれぞれのセンサおよび制御回路が、他の電子制御システムおよびサブシステムとの様々なレベルの統合を有し得る。いくつかの実施形態では、電力および制御回路ならびにデバイス共振器は、完全に別個のモジュールであるか、または既存のシステムに対して最小限の統合を有する筐体であり、電力出力および制御ならびに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、デバイスは、共振器および回路組立体を筐体内部の空洞部に収容するように構成されるか、またはデバイスのハウジングまたは筐体に組み込まれる。
【００５３】
模範的な共振器回路
【００５４】
図３および図４は、無線エネルギー伝送システムの模範的なソースのための発電、監視、およ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ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含むソースのブロック図である。図４は、フルブリッジのスイッチング増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含むソースのブロック図である。
【００５５】
図３に示すハーフブリッジのシステムトポロジは、制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどであってよい。処理装置は、単一の装置であっても、装置の回路網であってもよい。制御アルゴリズムは、処理装置の任意の部分で実行し得る。アルゴリズムは、特定の用途のためにカスタマイズしても、アナログおよびデジタル回路ならびに信号の組み合わせを含んでもよい。マスタルゴリズムは、電圧信号およびレベル、電流信号およびレベル、信号位相、デジタルカウント設定などを測定および調整し得る。
【００５６】
システムは、無線通信回路３１２に結合された、任意選択のソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信コントローラ３３２を含み得る。任意選択のソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信コントローラ３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行する同じ処理装置の一部であっても、マイクロコントローラ３０２内の一部または回路であっても、無線電力伝送モジュールの外部にあってもよいし、有線給電または電池給電用に使用されるが無線電力伝送を強化または支援するためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合された通信コントローラと実質的に類似するものであってもよい。
【００５７】
システムは、制御アルゴリズムによって制御し得る、少なくとも２つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合されたＰＷＭ発生器３０６を含み得る。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回路網コンポーネント３４２を介して、ソース共振器コイル３４４を駆動する２つの電力トランジスタ３３６に直接またはゲート駆動変圧器を経由して結合することができる。電力トランジスタ３３６は、調整可能な直流電源３０４に結合されて電力供給され、調整可能な直流電源３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御することができ、マイクロコントローラ３０２または他の集積回路の一部とするか、それに組み込むことができる。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用される調整可能な直流電源３０４の電圧出力を制御し得る。
【００５８】
システムは、信号がアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器に入力する前に、信号の成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリングなどを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８、３２０を含む検出および測定回路を含み得る。ＡＤＣ ３１４、３１６などのプロセッサおよび変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込んでも、または、処理コア３３０に結合される別個の回路としてもよい。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３２６、ソース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の動作を生成、制限、開始、停止、制御、調整、または変更することができ、マイクロコントローラ３０２の一部としても、それに組み込んでもよいし、別個の回路としてもよい。インピーダンス整合回路網３４２および共振器コイル３４４は、本明細書に記載されるように、キャパシタ、スイッチ、インダクタなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能な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、ソースインピーダンス整合コントローラ３３８から受信した信号に従って調整されるコンポーネント値または動作点を有する。コンポーネントは、共振器の動作および特性、例えば共振器に供給される電力及び共振器によって供給される電力、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、および任意の他の結合システムなど、を調節するために調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組み合わせを含む平面共振器を含む、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器とし得る。
【００５９】
図４に示すフルブリッジのシステムトポロジは、マスタ制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどとし得る。システムは、無線通信回路３１２に結合された、ソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信回路３３２を含み得る。ソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信回路３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行する同一の処理装置の一部であっても、マイクロコントローラ３０２内の一部または回路であっても、無線電力伝送モジュールの外部にあってもよいし、有線給電または電池給電用に使用されるが無線電力伝送を強化または支援するためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合された通信コントローラと実質的に類似するものであってもよい。
【００６０】
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し得る、少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合された少なくとも２つの出力をもつＰＷＭ発生器４１０を含み得る。４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回路網コンポーネント３４２を介して、ソース共振器コイル３４４を駆動する４つの電力トランジスタ３３６に直接またはゲート駆動変圧器を経由して結合することができる。電力トランジスタ３３６は、調整可能な直流電源３０４に結合されて電力供給され、調整可能な直流電源３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御され、Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用される調整可能な直流電源３０４の電圧出力を制御し得る。
【００６１】
システムは、信号がアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器に入力する前に、信号の成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリングなどを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８、３２０及び差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４を含む検出および測定回路を含み得る。ＡＤＣ ３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込んでもよいし、処理コア３３０に結合し得る別個の回路としてもよい。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、ソース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の動作を生成、制限、開始、除去、制御、調整、または変更することができ、マイクロコントローラ３０２の一部としてもよいし、それに組み込んでもよいし、別個の回路にしてもよい。
【００６２】
インピーダンス整合回路網３４２および共振器コイル３４４は、本明細書に記載されるように、キャパシタ、スイッチ、インダクタなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能な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、ソースインピーダンス整合コントローラ３３８から受信した信号に従って調整されるコンポーネント値または動作点を有する。コンポーネントは、共振器の動作および特性、例えば共振器に供給される電力及び共振器によって供給される電力、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、および任意の他の結合システムなど、を調節するために調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組み合わせを含む平面共振器を含む、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器とし得る。
【００６３】
インピーダンス整合回路網は、本明細書に記載のとおり、キャパシタ、インダクタ、およびコンポーネントの回路網などの固定値コンポーネントを含み得る。インピーダンス整合回路網の部分Ａ、Ｂ、およびＣは、本明細書に記載のとおり、インダクタ、キャパシタ、変圧器、およびかかるコンポーネントの直列およ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回路網の部分Ａ、Ｂ、およびＣは、空（短絡）にし得る。いくつかの実施形態では、部分Ｂは、インダクタおよ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。
【００６４】
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バス電圧を使用して、より高い出力電力レベルでの動作を可能にし得る。図３のハーフブリッジの模範的なトポロジは、シングルエンド駆動信号を提供し得るが、図４の模範的なフルブリッジトポロジは、差動駆動をソース共振器３０８に提供し得る。インピーダンス整合トポロジおよびコンポーネントおよび共振器構造は、本明細書に記載のように、２つのシステムに対して異なり得る。
【００６５】
図３および図４に示す模範的なシステムは、故障検出回路３４０をさらに含み得る。故障検出回路３４０はソース増幅器内のマイクロコントローラのシャットダウンをトリガするか、または、増幅器の動作を変更または中断することができる。この保護回路は、１つ又は複数の高速比較器を含み得る。前記高速比較器は、増幅器反流、ＤＣ電源３０４からの増幅器バス電圧（Ｖｂｕｓ）、ソース共振器３０８及び/又は任意選択の調整盤上の電圧、またはシステム内の構成要素に損傷を与え得るかまたは望ましくない動作条件の原因となり得る他の任意の電圧または電流信号を監視する。好適な実施形態は、異なる用途に関連する潜在的に望ましくない動作モードに依存させることができる。いくつかの実施形態において、保護回路を実装しなくてもよいし、装着しなくてもよい。いくつかの実施形態において、システムおよび構成要素の保護は、マスタ制御アルゴリズムおよび他のシステム監視および制御回路の一部として実装し得る。実施形態において、専用の故障検出回路３４０は、マスタ制御アルゴリズム３２８に接続された出力端子（図示せず）を含み得る。マスタ制御アルゴリズム３２８は、システムシャットダウン、出力低下（例えば、Ｖｂｕｓの低下）、ＰＷＭ発電器の変化、動作周波数の変化、同調要素に対する変更、または制御アルゴリズム３２８が動作点モードの調節、システム性能の向上および／または保護提供のために実行し得る他の任意の合理的操作をトリガし得る。
【００６６】
本明細書に記載のとおり、無線電力伝送システム内のソースは、ソース共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２の入力インピーダンスを、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または制御信号として使用し得る。模範的な実施形態では、環境条件の変化、結合の変化、デバイス電力需要の変化、モジュール、回路、コンポーネントまたはサブシステム性能の変化、システム内のソース、デバイス、または中継器の数の増加または減少、ユーザ指示の変化などを補償するように、無線電力源を調整するために、３つのパラメータの任意の組み合わせの変化が使用され得る。模範的な実施形態では、増幅器デューティサイクルに対する変化、可変キャパシタおよびインダクタなどの可変電気部品のコンポーネント値に対する変化、およびＤＣバス電圧に対する変化が、無線電力源の動作点または動作範囲を変更するために使用され、特定のシステム動作値を向上し得る。異なる用途に対して使用される制御アルゴリズムの詳細は、所望のシステム性能および動作に応じて変わり得る。
【００６７】
本明細書に記載され、図３および図４に示される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を使用し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いし、別個の回路の一部としてもよい。ソース共振器のインピーダンス整合回路網および／またはソース共振器への入力における電圧および電流信号の同時サンプリングは、電流および電圧信号の位相および振幅情報をもたらし、既知の信号処理技術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、電圧信号のみまたは電流信号のみの監視で十分であり得る。
【００６８】
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方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使用し得る。実施形態では、測定された電圧および電流信号は、ＡＤＣに入力される前に、フィルタリング／バッファリング回路によって調整、フィルタリングおよびスケーリングされ得る。実施形態では、フィルタリング／バッファリング回路は、様々な信号レベルおよび周波数で動作するように調整可能であり、フィルタ波形および幅などの回路パラメータを、例えば手動的に、電子的に、自動的に、制御信号に応答して、マスタ制御アルゴリズムによって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模範的な実施形態は図３、図４および図５に示されている。
【００６９】
図５は、フィルタリング／バッファリング回路で使用され得る模範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、システム設計で使用されるＡＤＣのタイプに応じて、シングルエンド増幅器トポロジは、差動からシングルエンド信号フォーマットに変換するハードウェアを不要にすることにより、システム、サブシステム、モジュールおよび／またはコンポーネント性能を特性化するために使用され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望ましい可能性がある。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採用してもよく、したがって、異なる信号経路アーキテクチャを持ち得ることを理解すべきである。
【００７０】
シングルエンドおよび差動増幅器の両トポロジでは、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２への入力電流は、キャパシタ３２４の両端間の電圧を測定することによるか、または一種の電流センサを用いて得ることできる。図３の模範的なシングルエンド増幅器トポロジに対して、電流は、インピーダンス整合回路網３４２からの接地帰路上で検知され得る。図４に示す模範的な差動電力増幅器に対して、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２への入力電流は、キャパシタ３２４の両端間で差動増幅器を用いるか、または一種の電流センサを用いて、測定することができる。図４の差動トポロジでは、キャパシタ３２４は、ソース電力増幅器の負出力端子で二重にし得る。
【００７１】
両トポロジにおいて、ソース共振器およびインピーダンス整合回路網への入力電圧および電流を表すシングルエンド信号が得られた後、信号は信号波形の所望の部分を取得するためにフィルタリングされ得る（５０２）。実施形態では、信号は、その信号の基本成分を取得するためにフィルタリングされ得る。実施形態では、低域、帯域通過、ノッチなどの実行するフィルタリングのタイプ、ならびに、楕円、チェビシェフ、バターワースなどの使用するフィルタトポロジは、システムの特定の要件によって決まり得る。いくつかの実施形態では、フィルタリングは必要とされないであろう。
【００７２】
電圧および電流信号は、任意選択の増幅器５０４によって増幅され得る。任意選択の増幅器５０４の増幅率は、固定または可変であり得る。増幅器の増幅率は、例えば手動的に、電子的に、自動的に、制御信号に応答して制御され得る。増幅器の増幅率は、例えばフィードバックループで、制御アルゴリズムに応じて、マスタ制御アルゴリズムによって、調整され得る。実施形態では、増幅器に対して必要な性能仕様は、信号強度および所望の測定精度によって決まり、異なる用途シナリオおよび制御アルゴリズムによって異なり得る。
【００７３】
測定されたアナログ信号には、それらの信号をＡＤＣの入力電圧範囲（いくつかのシステムに対しては０〜３．３Ｖであり得る）にするために直流オフセット５０６を加えることができる（５０６）。いくつかのシステムでは、この段階は、使用する特定のＡＤＣの仕様に応じて、必要でない可能性がある。
【００７４】
前述のように、発電機と電源負荷との間の電力伝送効率は、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くらい厳密に一致しているかによって影響され得る。図６Ａに示すような模範的なシステムでは、電力は、負荷６０４の入力インピーダンスが発電機または電力増幅器６０２の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限可能な効率で負荷に供給され得る。高いおよび／または最大限の電力伝送効率を獲得するための発電機また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回路網６０６を形成するために、キャパシタ、抵抗、インダクタ、変圧器、スイッチなどの適切な回路網または素子の組を挿入することによって実行することができる。他の実施形態では、インピーダンス整合を達成するために素子の位置の機械的調整および変更を用いることができる。前述のように、変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網６０６は、負荷側の発電機端子におけるインピーダンスおよび発電機の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいても、実質的に互いの複素共役のままであるように動的に調整される可変コンポーネントを含むことができる。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、および／もしくは位相、および／もしくは周波数を調整することにより、または、図６Ｃに示すように、キャパシタなどの発電機内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、或いは、例えば、より少数の調整可能コンポーネントを有する簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網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ため、有利である。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および／または周波数、および／または位相を電源に対して調整することにより、拡大した同調範囲または精度で、より高い電力、電圧および／または電流性能で、より高速な電子制御で、より少ない外部コンポーネントで、動的インピーダンス整合を達成するシステムを得ることができる。以下に記載する、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、制御などは、本明細書に記載のように、発電機が高Ｑ磁気共振器を駆動するシステムにおいて、および高Ｑ無線電力伝送システムにおいて有用であり得る。無線電力伝送システムでは、発電機は、共振器を駆動する電力増幅器であり得、その共振器はソース共振器とも呼ばれ、電力増幅器に対する負荷であり得る。無線電力の用途では、電力増幅器から共振器への電力供給効率を制御するため、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することが望ましい。この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、および／または位相、および／または周波数を調整または調節することによって完全にまたは部分的に達成することができる。
【００７５】
スイッチング増幅器の効率
【００７６】
クラスＤ、Ｅ、Ｆ増幅器など及びそれらの任意の組み合わせなどのスイッチング増幅器は、増幅器のスイッチング素子で電力が殆ど消費されないとき、最大効率で電力を負荷に供給する。この動作条件は、スイッチング素子両端間の電圧およびスイッチング素子を流れる電流の両方または一方が殆どゼロであるときに、最もクリティカル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）が行われるように、システムを設計することにより達成することができる。これらの条件は、それぞれ、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）条件ということができる。増幅器がＺＶＳおよび／またはＺＣＳで動作する場合、スイッチング素子両端間の電圧また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、スイッチで電力は消費され得ない。スイッチング増幅器は、直流（または超低周波の交流）電力を特定の周波数または周波数範囲の交流電力に変換し得るので、スイッチング処理によって生成され得る望ましくない高調波が負荷に達し、そこで消費されるのを防ぐために、フィルタを負荷の前に挿入することができる。実施形態では、スイッチング増幅器は、品質係数（例えばＱ＞５）及び特性インピーダンスＺ０＊＝Ｒ０＋ｊＸ０を有する共振負荷に接続されるとき、同時のＺＶＳおよびＺＣＳを生じ、最大の電力変換効率で動作するように設計することができる。Ｚ０＝Ｒ０−ｊＸ０が増幅器の特性インピーダンスとして定義されるため、最大電力伝送効率を達成することは、共振器負荷を増幅器の特性インピーダンスにインピーダンス整合させるとことに等価である。
【００７７】
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）、およびスイッチング素子のＯＮスイッチ状態の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に対して同一することができる。本明細書では、クラスＤおよびクラスＤＥ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「クラスＤ」を使用する。
【００７８】
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、およびスイッチングシーケンスによって決まり得る。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であり、また、いくつかの実施形態では、フルブリッジトポロジであり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、クラスＤであり、また、いくつかの実施形態では、クラスＥであり得る。前述の実施形態のいずれでも、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、次の式：
Ｒ０＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘ０＝Ｆｘ（ｄｃ）／ωＣａ  （１）
で表され、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）およびＦＸ（ｄｃ）は、図７（クラスＤおよびＥの両方に対応）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、また、Ｃａ＝ｎａＣｓｗｉｔｃｈである（ここで、Ｃｓｗｉｔｃｈは、スイッチと並列に配置されるトランジスタ出力容量およびあり得る外部キャパシタなどの各スイッチ両端間の容量であり、一方、フルブリッジに対して、ｎａ＝１およびハーフブリッジに対して、ｎａ＝２である）。クラスＤに対して、解析方程式：
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、クラスＤ増幅器の特性インピーダンスレベルは、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低下することを示す。ｄｃ＝５０％のクラスＤ増幅器の動作に対して、ＺＶＳおよびＺＣＳは、スイッチング素子が実質的に出力容量を有せず（Ｃａ＝０）、負荷が厳密に共振状態
（Ｘ０＝０）であり、一方、Ｒ０が任意であり得るときにのみ達成することができる。
【００７９】
インピーダンス整合回路網
【００８０】
適用例では、駆動される負荷は、それが接続される外部駆動回路の特性インピーダンスとは大きく異なるインピーダンスを有し得る。さらに、駆動される負荷は共振回路網ではない可能性がある。インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）は、ＩＭＮ回路および負荷から構成される回路網の入力インピーダンスを調整するため、図６Ｂに示すように、負荷の前に接続され得る回路網である。ＩＭＮ回路は、通常は、この調整を、駆動周波数に近い共振を生成することにより達成し得る。かかるＩＭＮ回路は、発電機から負荷への電力伝送効率を最大にするために必要な全ての条件（共振およびインピーダンス整合−スイッチング増幅器に対するＺＶＳおよびＺＣＳ）を達成するので、実施形態では、ＩＭＮ回路は、駆動回路と負荷との間で使用される。
【００８１】
図６Ｂに示す構成に対して、仮に、インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）および負荷からなる回路網（今後は、合わせてＩＭＮ＋負荷として示す）の入力インピーダンスはＺｌ＝Ｒｌ（ω）＋ｊＸｌ（ω）としよう。この回路網の特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０−ｊＸ０の外部回路に対するインピーダンス整合条件は、その結果、Ｒｌ（ω）＝Ｒ０、Ｘｌ
（ω）＝Ｘ０である。
【００８２】
可変負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法
【００８３】
負荷が変化しやすい実施形態では、負荷と線形またはスイッチング電力増幅器などの外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、変化する負荷を外部回路の固定特性インピーダンスＺ０に整合するように調整し得るＩＭＮ回路内の調節可能／調整可能コンポーネントを使用することにより達成し得る（図６Ｂ）。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、ＩＭＮ回路内の２つの調整可能／可変素子が必要とされ得る。
【００８４】
実施形態では、負荷は、インピーダンスＲ＋ｊωＬをもつ誘導性（共振器コイルなど）であり得るため、ＩＭＮ回路内の２つの調整可能素子は、２つの調整可能容量回路網または１つの調整可能容量回路網と１つの調整可能インダクタンス回路網または１つの調整可能容量回路網と１つの調整可能相互インダクタンス回路網とし得る。
【００８５】
負荷が変化しやすい実施形態では、負荷と線形またはスイッチング電力増幅器など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回路および負荷（ＩＭＮ＋負荷）から構成される回路網の（負荷変動に起因する）変化する入力インピーダンスに整合するように調整し得る増幅器回路内の調節可能／調整可能コンポーネントまたはパラメータを使用することにより達成することができ、ここでは、ＩＭＮ回路も調整可能である（図６Ｃ）。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、増幅器およびＩＭＮ回路内の合計２つの調整可能／可変素子またはパラメータが必要とされ得る。開示のインピーダンス整合方法では、ＩＭＮ回路内の調整可能／可変素子の必要数を減らすことができ、またはＩＭＮ回路内の調整可能／可変素子を不要にすることさえできる。いくつかの例では、電力増幅器内の１つの調整可能素子およびＩＭＮ回路内の１つの調整可能素子が使用し得る。いくつかの例では、電力増幅器内の２つの調整可能素子およびＩＭＮ回路内の調整可能素子はゼロにし得る。
【００８６】
実施形態では、電力増幅器内の調整可能素子またはパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオードなどに供給される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクルなどとし得る。
【００８７】
実施形態では、調整可能な特性インピーダンスを有する電力増幅器は、クラスＤ、Ｅ、Ｆの調整可能スイッチング増幅器またはそれらの任意の組み合わせとし得る。方程式（１）および（２）を組み合わせると、この回路網に対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。
【００８８】
調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、容量Ｃａであり、容量Ｃａはスイッチング素子と並列に配置された外部キャパシタを調整することによって調整し得る。
【００８９】
調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、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とし得る。デューティサイクルｄｃのパルス幅変調（ＰＷＭ）による調整は、出力電力制御を達成するためにスイッチング増幅器で使用されてきた。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も使用し得ることを開示する。
【００９０】
調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子はスイッチング周波数とし得る。スイッチング周波数はＩＭＮ＋負荷回路網の駆動周波数でもあり、ＩＭＮ＋負荷回路網の共振周波数に実質的に近くなるように設計し得る。スイッチング周波数の調整は、増幅器の特性インピーダンスおよびＩＭＮ＋負荷回路網のインピーダンスを変更し得る。増幅器のスイッチング周波数は、方程式（３）が満足されるようにもう１つの調整可能パラメータと共に適切に調整することができる。
【００９１】
動的インピーダンス整合のために増幅器のデューティサイクルおよび／または駆動周波数を調整する利点は、これらのパラメータは電子的に、高速に、かつ広範囲に渡って調整可能なことである。対照的に、例えば、大きな電圧に耐えるころができ、かつ、十分に大きい調整可能範囲及び品質係数を有する調整可能キャパシタは高価であり、低速であり、または必要なコンポーネント仕様のものを入手できない可能性がある。
【００９２】
変化する負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法例
【００９３】
クラスＤの電力増幅器８０２、インピーダンス整合回路網８０４、および誘導負荷８０６の回路レベルの構造を示す簡略化回路図を図８に示す。この概略図は、電源８１０、スイッチング素子８０８、およ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回路網８０４はインダクタおよびキャパシタを備え、負荷８０６はインダクタおよび抵抗としてモデル化されている。
【００９４】
本発明調整方法の模範的な実施形態は、図８に示すように、スイッチング周波数ｆで動作し、かつ、ＩＭＮを介して低損失誘導素子Ｒ＋ｊωＬを駆動する、ハーフブリッジクラスＤ増幅器を含む。
【００９５】
いくつかの実施形態では、Ｌ´は調整可能とし得る。Ｌ´は、インダクタ上の可変タップ点によるか、または調整可能キャパシタを直列または並列にインダクタに接続することにより、調整し得る。いくつかの実施形態では、Ｃａは調整可能とし得る。ハーフブリッジトポロジに対して、Ｃａは、キャパシタＣｓｗｉｔｃｈの並列和のみが増幅器動作に対して重要であるので、これらのキャパシタのいずれか一方または両方を変化させることにより調整し得る。フルブリッジトポロジに対して、Ｃａは、キャパシタＣｓｗｉｔｃｈの組み合わせ（ブリッジの２つの半部と関連する２つの並列和の直列和）のみが増幅器動作に対して重要であるため、１つ、２つ、３つ、または全てのキャパシタを変化させることにより調整し得る。
【００９６】
調整可能な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うちの２つを調整可能とし得る。いくつかの実施形態では、Ｌ´およびＣ２が調整可能である。そこで、図９は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃａ＝６４０ｐＦおよびＣ１＝１０ｎＦに対して、誘導素子の変化するＲおよび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）出力電力の関連する変化を示す。ＩＭＮは常に増幅器の固定特性インピーダンスに適合するので、誘導素子は変化するが、出力電力は常に一定である。
【００９７】
調整可能な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調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、容量ＣａをＩＭＮキャパシタＣ２と共に調整し得る。そこで、図１０は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の変化するＲおよび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）出力電力の関連する変化を示す。図１０から、Ｃ２は主にＬの変化に応じて調整する必要があること、および出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
【００９８】
調整可能な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をＩＭＮキャパシタＣ２と共に調整し得る。そこで、図１１は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の変化するＲおよび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）出力電力の関連する変化を示す。図１１から、Ｃ２は主にＬの変化に応じて調整する必要があること、および出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
【００９９】
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、容量ＣａをＩＭＮキャパシタＬ´と共に調整し得る。そこで、図１１Ａは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦおよびＣ２＝７．５ｎＦに対して、誘導素子の変化する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）出力電力の関連する変化を示す。図１１Ａから、出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
【０１００】
調整可能な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をＩＭＮインダクタＬ´と共に調整し得る。そこで、図１１Ｂは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦおよびＣ２＝７．５ｎＦに対して、誘導素子の変化する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）出力電力の関連する変化を示す。図１１Ｂから、出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
【０１０１】
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、ＩＭＮ内の素子は調整可能でなく、スイッチング増幅器内の素子のみを調整可能とし得る。いくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃを容量Ｃａと共に調整し得る。そこで、図１１Ｃは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７．５ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の変化する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）出力電力の関連する変化を示す。図１１Ｃから、出力電力はＲの非単調な関数であることが推測できる。これらの実施形態は、Ｌの変化（したがって共振周波数）があまり大きくない場合に、動的インピーダンス整合を達成することができる。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、ＩＭＮ内の素子が固定で、また、前述の説明のように、Ｌが大きく変化する場合、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、共振器の可変共振周波数に従うように変更す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およびスイッチのデューティサイクルｄｃを２つの可変パラメータとして使用すると、ＲおよびＬが変化するとき、いかなる可変コンポーネントも必要とせずに、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およびＬ´＝６３７μＨに対して、誘導素子の変化するＲおよび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）出力電力の関連する変化を示す。図１２から、前述の説明のように、ｆは主にＬの変化に応じて調整する必要があることが推測できる。
【０１０３】
無線電力伝送システムのための調整可能なインピーダンス整合
【０１０４】
無線電力伝送の適用例では、低損失誘導素子は、１つまたは複数のデバイス共振器、または、例えば、中継器共振器などの他の共振器に結合されたソース共振器のコイルとし得る。誘導素子のインピーダンスＲ＋ｊωＬは、ソース共振器のコイルへ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およびＬの変化は、ソース共振器および／もしくは他の共振器の近くの外部摂動また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およびＬの変化は、さらに、無線電力伝送システムの通常の使用中に、ソースに対するデバイスおよび他の共振器の相対運動に起因して生じ得る。ソースに対するこれらのデバイスおよび他の共振器の相対運動、または他のソースの相対運動または位置は、ソースに対するデバイスの変化する結合（および、したがって、変化する反射インピーダンス）となり得る。さらに、誘導素子のＲおよびＬの変化は、無線電力伝送システムの通常の使用中に、それらの負荷の消費電力の変化など、他の結合共振器内部の変化に起因して生じ得る。これまでに開示した全ての方法および実施形態はこの場合にも適用して、この誘導素子とこれを駆動する外部回路との動的インピーダンス整合を達成することができる。
【０１０５】
本開示の無線電力伝送システム用の動的インピーダンス整合方法を実証するために、負荷抵抗を駆動するデバイス共振器のデバイスコイルに誘導的に結合される低損失ソースコイルを含むソース共振器について考察する。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合はソース回路において達成し得る。いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合はデバイス回路においても達成し得る。完全なインピーダンス整合が（ソースおよびデバイスの両方で）得られる場合、ソース誘導素子の実効抵抗（すなわち、ソースコイルの抵抗ＲＳ＋デバイスからの反射インピーダンス）は、
【数５】
2015508987.tif 000007
である。（同様に、デバイス誘導素子の実効抵抗は、
【数６】
2015508987.tif 000008
であり、ここで、Ｒｄは、デバイス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化は、
【数７】
2015508987.tif 000009
の動的変化となる。それ故、ソースおよびデバイスの両方が動的に調整される場合、相互インダクタンスの変化は、ソース回路側からは、ソース誘導素子抵抗Ｒの変化として見られる。このタイプの変化では、Ｌが変化しないため、共振器の共振周波数は殆ど変化しないことに留意されたい。それ故、動的インピーダンス整合のために提示した全ての方法および例は、無線電力伝送システムのソース回路に対して使用得ることができる。
【０１０７】
図９〜図１２で、抵抗Ｒは、ソースコイルとデバイスコイルのソースコイルへ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、関連する無線電力伝送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、デバイス回路によって駆動される負荷に必要とされ得る。デバイスに伝送される一定レベルの電力を達成するために、ソース回路の必要な出力電力は、Ｕが増加するにつれて減少する必要がある。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調整することによって達成される場合、増幅器の出力電力は、それに応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、出力電力の自動変化は、一定のデバイス電力要件を満足するように、Ｒと共に単調に減少するのが好ましい。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って達成される実施形態において、Ｒに対して単調な出力電力の減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合設定を使用すると、直流駆動電圧の適度な調整のみで、デバイスの電力負荷に一定の電力を維持できることが理解されよう。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回路網内のスイッチング増幅器またはコンポーネントのデューティサイクルｄｃまたは位相である、実施形態において、Ｒに対して単調な出力電力の減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合セットを使用すると、この電力「ノブ」の適度な調整のみで、デバイス内の電力負荷に一定の電力を維持できることが理解されよう。
【０１０８】
図９〜図１２の例では、Ｒｓ＝０．１９Ωである場合、範囲Ｒ＝０．２−２ΩはほぼＵｓｄ＝０．３−１０．５に対応する。これらの値に対して、ソースおよびデバイスの両方が動的にインピーダンス整合されている場合、負荷に一定の電力レベルを維持するために必要とされる出力電力（直流電圧の２乗に正規化されている）が図１４に点線で示されている。実線および点線との間の同様の傾向が、出力電力のかかる変化を伴う調整可能なパラメータの組がなぜ好ましいかを明らかにする。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合はソース回路で達成されるが、インピーダンス整合はデバイス回路では達成されないか、または部分的のみ達成される。ソースコイルとデバイスコイルとの間の相互インダクタンスが変化するので、デバイスからソースへの変化する可変反射インピーダンスがソース誘導素子の実効抵抗Ｒおよび実効インダクタンスＬの両方に変化を生じ得る。これまでに提示した動的インピーダンス整合方法は無線電力伝送システムの調整可能なソース回路に適用可能で、使用することができる。
【０１１０】
一例として、図１３の回路を考察し、ここでは、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およびＺｌ＝５０Ωであり、ここで、ｓおよびｄは、それぞれソースおよびデバイス共振器を示し、システムはＵｓｄ＝３で結合される。スイッチング増幅器のデューティサイクルｄｃおよびキャパシタＣ２Ｓの調整は、調整不能なデバイスがソースに対して相対的に移動し、ソースとデバイスとの間の相互インダクタンスＭを変化するので、共振器を動的にインピーダンス整合するために使用し得る。図１４では、調整可能パラメータの必要な値を増幅器の出力電力／直流電圧とともに示す。この場合も、点線は負荷の電力を一定値にするために必要とされる増幅器の出力電力を示す。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、ソースと１つまたは複数のデバイスとの間の無線電力伝送システムに対して、ソースで動的インピーダンス整合を達成するために、ソース駆動回路の駆動周波数ｆの調整が依然として使用される。前述の説明のとおり、この方法は、ソースインダクタンスＬＳ、したがってソース共振周波数の変化がある場合でも、ソースの完全な動的インピーダンス整合を可能にする。ソースからデバイスへの効率的な電力伝送のため、デバイス共振周波数は、整合した駆動およびソース共振周波数の変化に従うように調整されなければならない。ソースまたはデバイス共振器のいずれかの共振周波数が変化する場合は、デバイス容量（例えば、図１３の実施形態では、Ｃ１ｄまたはＣ2ｄ）の調整が必要である。実際には、複数のソースおよびデバイスを備える無線電力伝送システムでは、駆動周波数の調整は、１つのソース−対象物共振周波数のみを調整する必要に軽減するが、残りの全ての対象物もそれらの共振周波数を駆動周波数に一致するように調整する機構（調整可能容量など）が必要である。
【０１１２】
調整可能なソースのサイズ
【０１１３】
無線電力伝送方法の効率は、ソースとデバイスとの分離距離に応じて減少する。ソースとデバイス共振器との特定の間隔における無線電力伝送の効率は、サイズを調整可能なソースによって向上できる。発明者は、固定の間隔の無線電力伝送の効率がソースとデバイス共振器の相対的なサイズを調整することによって最適化されることを発見した。サイズと幾可学的形状とが固定されたデバイス共振器では、特定の間隔、位置、および／または方向における無線電力伝送の効率を最適化するために、ソース共振器の大きさが定められ得る。ソースとデバイス共振器が互いに近い場合であって、これらの共振器の特性サイズまたは実効サイズが類似する場合に電力伝送効率は最適化され得る。より間隔が大きい場合、電力伝送効率は、ソース共振器の実効サイズをデバイス共振器に比べて大きくすることによって最適化され得る。電力伝送効率を最適化するように、または特定の所望する電力伝送効率を達成するために、ソースに対してデバイスが近づくまたは遠ざかるにつれてソース共振器のサイズを変更または調整するように、ソースは構成され得る。
【０１１４】
この節の例では、ソースのみがサイズ調整可能な無線電力伝送システムおよび方法について記載する。デバイスもまたサイズ調整可能であって同様の利点が得られることが理解されるであろう。いくつかのシステムにおいて、ソースおよびデバイスの両方がサイズ調整可能である。ソースのみがサイズ調整可能なシステムは、特定の条件下ではより実際的であり得る。例えばデバイス共振器に組み込まれるデバイスの物理的な寸法、コスト、および重量等によって、サイズ調整可能なデバイス共振器とすることは、非実用的であるか実行がより困難である。しかし、当業者にとって当然のことながら、ここに記載の手法は、サイズ調整可能なデバイス、サイズ調整可能なソース、または両方を用いるシステムで使用され得る。
【０１１５】
この節では、共振器の「物理的サイズ」ではなく、共振器の「実効サイズ」に言及する。共振器の物理的サイズは、共振器の特性サイズによって定量化され得る（例えば、効果的に２−Ｄ共振器を包含するよりも小さな円の半径）。実効サイズは、共振器構造における、通電（current-carrying）のインダクタ要素で囲まれる表面エリアのサイズまたは広さを参照できる。もし、例えば半径（スイッチを集めることによって互いに接続している）を減少させることでインダクタ要素が一連の同心のループから成るならば、共振器の実効サイズは、インダクタに「変えられて」、電流が流れている、最大のループの半径で定義される一方で、共振器の物理的サイズは、その構造における最も大きな半径によって与えられ得る。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、例えば、共振器を備える導体の小さな部分にエネルギーが与えられるとき、共振器の実効サイズは共振器の物理的サイズよりも小さい場合がある。同様に、共振器の実効サイズは、共振器の物理的サイズより大きい場合がある。例えば、下記のように発明の１つの実施形態において、共振器のアレイ、グリッド、多要素パターン等を生成するために所与の物理的サイズを有する複数の個々の共振器が配置されるとき、共振器の実効サイズは個々の共振器のどの物理的寸法よりも大きい場合がある。
【０１１７】
無線電力伝送効率と、ソース−デバイス共振器の間隔の関係は、図１５（ａ）に示される。図１５（ａ）のプロットは、図１５（ｂ）に示される構成、つまりソース５９０２とデバイス５９０１とが、軸５９０３（中心におかれる）を揃えて互いに平行に設けられて負荷容量性の導体ループ共振器となる構成の無線電力伝送効率を示している。プロットは、５ｃｍ×５ｃｍの固定サイズのデバイス共振器５９０１と３つの異なるサイズのソース共振器５９０２（分離距離５９０６の範囲に応じて５ｃｍ×５ｃｍ、１０ｃｍ×１０ｃｍおよび２０ｃｍ×２０ｃｍ）について表示している。異なる間隔の無線電力伝送効率は、ソースおよびデバイス共振器の相対的なサイズに依存し得ることに注意すべきである。つまり、最も効果的な無線電力伝送をもたらすソース共振器のサイズは、ソースおよびデバイス共振器の異なる間隔に応じて、異なる場合がある。例えば、図１５（ａ）のプロットによってとらえられる構成における、比較的小さな間隔での効率は、ソースとデバイス共振器とがほぼ等しいサイズの場合に最も高い。より大きな間隔では、無線電力伝送効率は、ソース共振器がデバイス共振器よりほぼ大きい場合に最も高い。
【０１１８】
発明者は、ソースとデバイス共振器との間隔が変わる無線電力伝送システムについて、さまざまの効果的な共振器サイズの構成をとることが可能なソースに利点があり得ることを発見した。電力伝送効率を最適化するように、または所望する伝送効率の範囲で動作するように、ソースに対してデバイスが近づくまたは遠ざかるにつれて、ソース共振器は、その効果的な共振器サイズを変更し得る。そのような効果的な共振器サイズの調整は、手動でもよく、また自動でもよく、全体的なシステム制御、追跡、動作、安定化と構造最適化の一部であり得る。
【０１１９】
サイズ調整可能なソースを備える無線電力伝送システムはまた、ソースによって電力供給される全てのデバイスが、デバイス共振器のサイズを同じように設定したのでない場合に利点があり得る。ソースとデバイスとを一定の間隔としたとき、デバイス共振器が２つの異なるサイズである複数のデバイスでは、異なるサイズのソース共振器について伝送効率が最大になることに気付くであろう。そして、充電プロトコル、デバイスの電力要求、および階層構造に応じて、ソースは、優先的に充電するまたは電力供給するデバイスの１つ、デバイスの種類、デバイスの全て等に対してのサイズを変えてもよい。
【０１２０】
さらに、１つのソースが同時に複数のデバイスに電力供給するように要求され得る場合、サイズ調整可能なソースによる追加的な利点が得られるかもしれない。より多くのデバイスが電力を要求するにつれて、ソース共振器またはソース共振器のアクティブ領域によって制限される空間的位置またはエリアは変わる必要があり得る。例えば、複数のデバイスが１つのエリアに配置されて、互いに分離されるならば、ソースはすべての複数のデバイスを含むより大きなエリアにエネルギーを与えるために拡大される必要があり得る。電力を要求するデバイスの数が変化するにつれて、またはそれらの空間分布および位置がソースに対して変化するにつれて、サイズ調整可能なソースは、特性とソースの周囲の磁場の空間分布を変えるために、そのサイズを変えてもよい。例えば、ソースが１つのデバイスへ電力を伝送するように要求されるとき、望ましい無線電力伝送効率を得るのに、適切な磁場の空間分布を伴う比較的小さなソースのサイズが使用されてもよい。ソースが複数のデバイスへ電力を伝送するように要求されるとき、デバイスがソースの周囲の複数の場所にあるかもしれないことから、より大きなソースのサイズ、または異なる磁場の空間分布を伴うソースが有益であり得る。電力を要求するデバイスの数、それらの分布、または電力の要求が変化するにつれて、サイズ調整可能なソースは、その動作パラメータと仕様を調整するか、最大にするか、最適化するか、上回るか、または満たすために、サイズを変更してもよい。
【０１２１】
サイズ調整可能なソースは、ソースに対するデバイスの位置の不定または変わりやすさに伴う電力伝送の非効率性を減らす際に、別の利点となり得る。たとえば、ソースに対して相対的に側方に特定の変位を有するデバイスでは、電力伝送効率を低下させることが経験され得る。図１６（ａ）のプロットは、図１６（ｂ）に示される構成、つまりソース６００２とデバイス６００１とが、それぞれの中心軸６００６，６００５の間に側方オフセット６００７をもって互いに平行に設けられて負荷容量性の導体ループ共振器となる構成の無線電力伝送効率を示している。図１６（ａ）のプロットは、平行に方向づけられた５ｃｍ×５ｃｍのソース共振器６００２（太線）、または２０ｃｍ×２０ｃｍのソース共振器６００２（点線）と２ｃｍ６００８離れた５ｃｍ×５ｃｍのデバイス共振器６００１の無線電力伝送効率を示している。５ｃｍ×５ｃｍのソース共振器からおよそ５ｃｍの側方オフセット６００７（デバイス共振器の中心からソース共振器の中心まで）に、電力伝送効率における「デッドスポット（dead spot）」が存在することに注意が必要である。つまり、伝送効率は、ソース−デバイスの特定のオフセットで、最小にされるかゼロに近づく。図１６（ａ）の点線は、同じ間隔および同じ側方オフセットの同じデバイスでの無線電力伝送効率を示すが、２０ｃｍ×２０ｃｍにソースのサイズを調整することで９０％以上となり得る。５ｃｍ×５ｃｍから２０ｃｍ×２０ｃｍへのソースのサイズの調整は、およそ５ｃｍの側方オフセットから、１０ｃｍを超える側方オフセットまでのデッドスポットの位置を移動させる。この例では、ソースのサイズを大きくするように調整することで、無線電力伝送効率はほぼ０％から９０％を超えるまで高くなる。２０ｃｍ×２０ｃｍのソースは、２つの共振器が軸上にあるか、中央に置かれるか、または側方オフセットがおよそ２〜３ｃｍ未満であるときに、５ｃｍ×５ｃｍのデバイス共振器への電力の伝送効率がより低くなることに注意すべきである。実施形態においては、充電または電力供給のデッドスポットまたは伝送効率の最小の位置を動かし、デバイスに、より柔軟な位置決め、および／またはより高い結合効率を許容するのに、ソースのサイズの変更が行われてもよい。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、サイズ調整可能なソースは、電力源、または電力および制御回路によって選択的にドライブされるさまざまなサイズの共振器の並び（bank）として実施され得る。モニタリング、センシングまたはフィードバック信号、コミュニケーション等の情報から予め定められた要件（計算された要件）に基づいて、適切にサイズを設定されたソース共振器は、電力源、および／または、電力および制御回路によってドライブされてもよく、そのサイズはソースとデバイス共振器との要件または距離の変化に応じて調整され得る。異なるサイズの共振器の並びの１つの構成は、図１７に示されるように、３つの異なるサイズの共振器の並びである。図１７の例では、３つの共振器６１０１、６１０２、６１０３は、同心で配置されて、電力および制御回路６１０４と結合する。共振器の並びは、他の構成および配置をとることができる。異なる共振器は、図１８のように、並んで置かれてもよく、アレイに配置される等でもよい。
【０１２３】
多くのサイズの共振器の並びにおけるそれぞれの共振器は、独自の電力および制御回路を備えていてもよいし、または、それらのそれぞれは、変更され得るものであり、スイッチ、リレー、トランジスタ等によって選択的に一つ以上の電力および制御回路に接続してもよい。いくつかのシステムでは、それぞれの共振器は、電力および制御回路と誘導結合し得る。他のシステムでは、それぞれの共振器は、電子構成要素の追加的なネットワークで、電力および制御回路に結合し得る。図１８には、追加的な回路６２０１、６２０２、６２０３を備える３つの共振器の構成が示されている。いくつかのシステムでは、追加的な回路６２０１、６２０２、６２０３が、共振器６１０１、６１０２、６１０３のそれぞれと電力および制御回路６２０４との間で、インピーダンス整合のために使われ得る。いくつかのシステムでは、電力および制御回路から見て、それぞれの共振器とそれぞれの追加的な回路とが同じ実効インピーダンスを持たせられることは利点となり得る。いくつかの実施形態において、それぞれの共振器の実効インピーダンスおよび追加的なインピーダンス整合のネットワークは、電力源または電力および制御回路の特性インピーダンスと整合し得る。すべての共振器についての同じ実効インピーダンスは、共振器の並びにおける共振器の間のスイッチングをより容易にし、より効率的にし、より素早くし、電力および制御回路でのチューニングまたは調整可能な構成要素への要求をより少なくし得る。
【０１２４】
多くのサイズの共振器の並びを用いるシステムのいくつかの実施形態によると、追加的な回路６２０１、６２０２、６２０３は、追加的なトランジスタ、スイッチ、リレー等を含んでもよく、電力および制御回路によってドライブされない、または電力供給されないときに、共振器をディスエーブルし、非活性化し、または離調する。いくつかのシステムの実施形態では、共振器の並びまたはソースのすべての共振器が、同時に電力供給される、またはドライブされるわけではない。そのようなシステムの実施形態において、電力供給されないソースの共振器による電力消失による電力伝送におけるエネルギーロスを減らすために非アクティブの共振器をディスエーブル、または離調することは望ましい。電力供給されないソースの共振器は、共振器の導体を回路でオープンにするか、導通しないようにするか、接地するか、切断することによって、他の共振器の共振周波数から非アクティブとなる、または離調されてもよい。トランジスタ、スイッチ、リレー等は、共振器の導体部分で選択的に電気径路を開閉するのに用いられてもよい。電力供給されない共振器は、同様に、スイッチ、トランジスタ、リレー等を有する共振器にキャパシタンスやインダクタンスを削除すること、または加えることで、離調または非アクティブとしてもよい。いくつかの実施形態では、個々の共振器の平常の状態は、システムの動作周波数から離調された状態であって、共振器をその並び（bank）においてアクティブになるように適切に調整するのに、信号または駆動信号からの電力を用いてもよい。
【０１２５】
多くのサイズの共振器の並びを用いるシステムのいくつかの実施形態によると、複数の共振器は一つ以上の電力および制御回路で同時にドライブされてもよい。いくつかのシステムの実施形態によると、電力供給される共振器は無線電力伝送を拡張または管理するために同調せずにドライブされ得る。同調して、または同調しないでドライブされる際の、または、１つまたは複数の相対位相のいずれかにおける、複数の共振器の振動磁場の間の建設的で破壊的な干渉は、特定の「ホットスポット」または集中した磁気エネルギーのエリアをつくるのに用いられてもよい。実施形態において、望ましい無線電力伝送効率を得るのに、またはデバイスを異なる位置、方向等で扱うために、これらのホットスポットの位置はさまざまであってもよいし、移動されてもよい。実施形態において、多くのサイズのソース共振器は、電力分布、および／または共有アルゴリズム、および／またはプロトコルを実施するように調整されてもよい。
【０１２６】
多くのサイズの共振器の並びを用いるシステムのいくつかの実施形態によると、共振器のすべては、サイズが異なるにもかかわらず、ほぼ同じパラメータと特性を有してもよい。たとえば、共振器のすべては、同程度のインピーダンス、共振周波数、品質係数、ワイヤゲージ、巻線間隔、巻数、電力レベル等を有してもよい。共振器のプロパティと特性は、それらの値の２０％以内に収まってもよい。
【０１２７】
多くのサイズの共振器の並びを用いる別の実施形態によると、共振器は、それぞれの共振器のサイズに合わせて手直し、または最適化される同一でないパラメータおよび特性を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、より大きい共振器の導体の巻数は、最も小さい共振器に比べて少なくてもよい。同様に、より大きな共振器が少し離れているデバイスに電力供給する目的のものであり得ることから、間隔の違いによってそれぞれの共振器の実効負荷の違いを補うために、より大きな共振器の無負荷のインピーダンスは、より近くのデバイスに電力供給する目的の小さな共振器のインピーダンスとは異なってもよい。別の実施形態では、複数の共振器は異なるまたはさまざまなＱ値を有していてもよく、また、それらは異なる形状や厚みを有していてもよく、また、それらは異なるインダクティブ素子、異なる容量素子および異なる導電性材料で構成されていてもよい。実施形態においては、可変なソースは特定のアプリケーションのために専用設計であってもよい。
【０１２８】
他の実施形態において、サイズを変更可能なソースは同じようなサイズの共振器のアレイまたはグリッドで実現されてもよい。アレイの電力および制御回路は、選択的に一つ以上の共振器を、共振器の実効サイズへと変更してもよい。たとえば、一つの共振器のグリッドの構成は、図１９に示される。同じようなサイズの共振器６３０１のグリッドは、グリッドに配置されて、一つ以上の電力および制御回路（図示せず）に結合されてもよい。アレイのそれぞれの共振器６３０１は、個々に動かされることができ、または、いくつかの共振器が同時に動かされてもよい。アレイにおいて、共振器の実効サイズは数、位置、および電力供給される共振器の駆動特性（例えば駆動信号位相、位相オフセット、振幅等）を制御することで変更され得る。たとえば、図１９の共振器のアレイについて、共振器の実効サイズは、アレイの個々の共振器のいずれに電力供給されるかを変更することで制御され得る。共振器は、個々の共振器の一つのサイズに等しい実効共振器サイズ６３０４に結果としてなるただ１つの共振器に電力供給してもよい。あるいは、アレイの左上の部分の個々の共振器の４つに同時にエネルギーが与えられて、個々の共振器のおよそ２倍のサイズである実効共振器サイズ６３０３を生成してもよい。全ての共振器に同時にエネルギーが与えられて、結果として個々の共振器のおよそ３倍大きなサイズである実効共振器サイズ６３０２となってもよい。
【０１２９】
実施形態において、個々の共振器のアレイのサイズは、いかなるサイズに調整されてもよい。より大きな実施形態では、個々の共振器のそれぞれに電力および制御回路を持つことは、コスト、配線の制約等のために非実用的である場合がある。クロス−スイッチのスイッチングバーは、必要に応じてできるだけ少ない電力および制御回路と個々の共振器のいずれかと接続するのに用いられ得る。
【０１３０】
個々の共振器をアレイにした実施形態において、エネルギーが与えられる個々の共振器のパターンは修正され、最適化されてもよい。効果的な共振器の形状は、長方形、三角形、正方形、円形、または任意の形状であり得る。
【０１３１】
共振器のアレイの実施形態において、どの共振器にエネルギーが与えられるかは、デバイス共振器とソース共振器との間の間隔または距離、側方オフセット、方向等に依存し得る。ドライブされ得る共振器の数は、例えばデバイス共振器とソース共振器の分離距離および／または方向、デバイス共振器の数、それらのさまざまな電力の要求等に依存し得る。エネルギーが与えられる共振器のアレイまたはグリッドにおける位置は、ソースに対するデバイスの側方の位置に従って決定されてもよい。たとえば、部屋の床または机の表面をおおうかもしれない小さな個々の共振器の大きなアレイにおいて、アレイの共振器の数は変わり得る。
【０１３２】
別の実施形態において、サイズ調整可能なソース共振器は、多くのサイズの共振器のアレイによって実現され得る。いくつかの小さな等しいサイズの共振器は、小さな共振器の小さな組み立て部品（assembly）を作るために配置され得る。小さなアレイは、より大きな組み立て部品を作るために、より大きなサイズの共振器で囲まれてもよい。より大きな組み立て部品は、それ自体がアレイに配列される、より大きなアレイ等を囲むさらに大きな共振器とともに、それ自体がさらに大きなアレイを形成するように、配置されてもよい。この配置において、ソース共振器は、アレイのすみずみに分散されたさまざまな物理的サイズの共振器を含む。共振器の構成の一例は図２０に示される。より小さな共振器６４０１は２×２のアレイに配置され、別の共振器に囲まれて、より大きな物理的サイズ６４０２で、共振器の組立て部品を形成し得る。その共振器の組立て部品は、２×２のアレイに配置され、別の共振器に囲まれて、さらに大きな物理的サイズ６４０３となる。このパターンは、より大きなアレイを形成するのに繰り返され得る。それぞれの共振器または共振器の組立て部品が繰り返される回数は、設定されてもよいし、最適化されてもよいし、対称形または対称形でなくてもよい。図２０の例では、それぞれの共振器と組み立て部品は、２×２のアレイを作るように繰り返されるが、他のいかなるアレイの寸法も適当である。アレイは円形、正方形、長方形、三角形、ダイヤモンド形状等、形状とサイズのいかなる組合せもありえることに留意すべきである。多くのサイズの共振器をアレイとして用いることは、結果としてより大きな効力を有する共振器となるように複数の共振器にエネルギーを与えることが必要ない点で利益がある。この特徴は、ソースの電力および制御回路を単純化し得る。
【０１３３】
実施形態において、調整可能なソースのサイズはまた、平面共振器、または負荷容量性導体で覆われた磁気材料のコアを有する構造のコアード共振器（cored resonator）を用いることで実現され得る。その例は図１１、図１２および図１３に示されており、ここにおいて説明する。一つの実施形態では、図２１（ａ）に示されるように、調節可能なソースは磁気材料６５０１のコアで実現可能であって、異なる導体のループが重ならないように、複数の導体６５０２、６５０３、および６５０４はコアの周囲に巻きついている。異なる数の導体にエネルギーを与えることによって、共振器の実効サイズは、変わり得るまたは調節され得る。いくつかの隣接する導体が同時にドライブされるかエネルギーを与えられるときに、より大きな効力を有する共振器が実現され得る。
【０１３４】
図２１（ｂ）は、コアード共振器を有するサイズ調整可能なソースの別の実施形態を示し、磁気材料６５０５のコアが複数の重なり合う導体６５０６、６５０７、６５０８で巻かれている。導体は、それぞれが磁気コア６５０５の全体にわたって異なる距離を広げるように巻かれてもよい。たとえば、図２１（ｂ）の共振器について、導体６５０８が最短距離またはコア６５０５の一部を覆う一方で、導体６５０７，６５０６のそれぞれは、より長い距離を覆う。コアの最も短い距離を覆っている導体にエネルギーが与えられるときに、最も小さな実効サイズが生じ、コアの最も長い距離を覆っている導体にエネルギーが与えられるときに、最も大きな実効サイズが生じるように、異なる導体にエネルギーを与えることによって、共振器の実行サイズが調節されてもよい。同程度のインダクタンス、インピーダンス、キャパシタンス等を得るために、それぞれの導体が巻かれてもよい。複数の導体のループ間の密度または間隔を変えることによって、覆っている距離を修正して、すべての導体は同じ長さであるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、それぞれの導体が同じ間隔で巻かれ、そのために、それぞれのらせんの長さが異なる導体が必要とされてもよい。別の実施形態では、導体の数およびそれぞれの導体の巻き方は、一定でないか、またはさまざまな間隔の巻き方、容積、サイズ等でさらに最適化されてもよい。
【０１３５】
図２１（ｃ）は、コアード共振器を有するサイズ調整可能なソースの別の実施形態を示し、複数の磁気材料のコア６５０９、６５１０、６５１１が隙間を空けて、すなわち接触せずに置かれて、複数の導体６５１２、６５１３、６５１４で巻かれている。磁気コア６５０９、６５１０、６５１１のそれぞれは隙間６５１５、６５１６で分離され、導体はそれぞれの磁気コアの周囲に巻かれ、隙間と隣接する磁気コアの周囲とを超えて広がっている。２つの磁気コア間の隙間をわたっていない導体（例えば図２１（ｃ）の導体６５１３）は、いくつかの実施形態で使用され得る。共振器の実効サイズは、異なる数のコアの周囲に巻かれた導体に同時にエネルギーを与えることによって調節されてもよい。磁気コア間の隙間の周囲に巻かれる導体は、１つのコアから他のコアへと磁場を導いて共振器の実効サイズを広げるように、エネルギーを与えられてもよい。
【０１３６】
当業者であればわかるように、図２１の中で示される方法とデザインは、平面共振器とさまざまな形状および突起を有する磁気コアであって、複数の寸法をもったさまざまなサイズのサイズ調整可能な共振器を実現できるものを用いるように拡張し得る。たとえば、２以上の寸法をもつさまざまなサイズのサイズ調整可能な共振器を実現するように、複数の共振器は、図１３に示されるような形状の拡張されるコアの周囲に巻かれてもよい。
【０１３７】
実施形態では、サイズ調整可能なソース共振器は、その環境におけるデバイスまたはオブジェクトの構成に最も効果的なソースのサイズを定めるための制御およびフィードバック・システム、回路、アルゴリズム、およびアーキテクチャを含んでもよい。制御およびフィードバック・システムは、最も効果的なソースのサイズを定めるために、いろいろなセンサ、通信回線、測定等を用いてもよい。実施形態において、センサからのデータ、測定回路、通信回線等は、適切なソースのサイズを選択するいろいろなアルゴリズムによって処理されてもよい。
【０１３８】
実施形態において、ソースとデバイスは、最も適切な、または最も効果的なソースのサイズを選択可能にする情報を通信するのに用いられる無線通信回線（例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）、ニア・フィールド・コミュニケーションまたは磁界変調）を備えてもよい。例えばデバイスは、ソースに受信電力、電流または電圧を伝えてもよく、これらは、電力伝送の効率を定めるために、ソースによって使用されてもよい。デバイスは、ソースとデバイスとの分離距離を計算するのに使用され、適切なソースのサイズを定めるのに使用されるデバイスの位置または相対的な位置を伝えてもよい。
【０１３９】
実施形態において、ソースは、適切なソースのサイズを定めるために、共振器のパラメータまたは電力伝送の特性を測ってもよい。ソースにおけるいろいろな共振器のパラメータまたはソース共振器のいろいろな構成を決定するために、ソースは、いくつもの電気または電子センサを使用してもよい。ソースは、共振器の構成またはソースのサイズのそれぞれにおけるインピーダンス、抵抗、共振周波数、電流と電圧の大きさと位相等を監視してもよい。これらのパラメータまたはこれらのパラメータの変化は、最も効果的なソースのサイズを定めるために、ソースによって使用されてもよい。例えば、ソースのある構成において無負荷状態と現在の状態の間で最大のインピーダンスの違いが示される場合には、システムにおいて最も適切な、または最も効果的な状態であり得る。
【０１４０】
ソースの動作パラメータおよびサイズは、例えば、デバイスまたはシステムの管理者の要求に応じて、連続的に、定期的に、またはオンデマンドに変わり得る。デバイスは、特定の時間間隔の間に、またはデバイスにおいて電力もしくは電圧が閾値以下に下がるときに、ソースに最も適切なソースのサイズを求めるように要求、または促してもよい。
【０１４１】
図２２は、２つの異なる大きさの共振器６６０１，６６０５を備えるサイズを調整可能なソース６６０４を用いる無線電力伝送システムがとり得るいくつかの動作中の構成および一つの考え得るシステムの実施形態におけるデバイス共振器の方向を示す。小さな共振器６６０２を伴うデバイスが近接して一直線に並べられるとき、ソース６６０４は、図２２（ａ）で示されるように、より小さな共振器６６０５にエネルギーを与えてもよい。小さな共振器６６０２を伴うデバイスが遠い位置にあって一直線に並べられるとき、ソース６６０４は、図２２（ｂ）で示されるように、より大きな共振器６６０１にエネルギーを与えてもよい。小さな共振器６６０２を伴うデバイスが一直線に並んでいないとき、ソース６６０４は、図２２（ｃ）で示されるように、より大きな共振器６６０１にエネルギーを与えてもよい。最後に、大きな共振器６６０２を伴うデバイスが存在するとき、ソース６６０４は、電力伝送効率を最大にするために、図２２（ｄ）で示されるように、より大きな共振器６６０１にエネルギーを与えてもよい。
【０１４２】
実施形態において、適切なソースのサイズを定めるアルゴリズムが、ソースの一部であったり、ソースに接続されていたり、ソースと通信したりするプロセッサ、ゲート・アレイ、またはＡＳＩＣで実行されてもよい。実施形態において、アルゴリズムは、連続して全てまたは可能なソースのサブセットにエネルギーを与えたり、その構成の動作特性を測ったり、最も望ましい特性のソースのサイズを選んだりしてもよい。
【０１４３】
無線電力中継器共振器
【０１４４】
無線電力伝送システムは、一つ以上のソース共振器、デバイス共振器、またはさらなる中継器共振器とエネルギーを交換するように構成される中継器共振器を取り入れてもよい。中継器共振器は、無線電力伝送の範囲を広げるのに用いられてもよい。中継器共振器は、ソースによって生成される磁場を変更、分配、集中、拡張等するのに用いられてもよい。中継器共振器は、さもないと磁場をブロックしかねない損失性および／または金属性の物体の周囲にあるソース共振器の磁場を導くのに用いられてもよい。中継器共振器は、低電力伝送領域またはソースの周囲の低磁場領域を除く、または減らすのに、用いられてもよい。中継器共振器は、ソースと、ターゲットとするデバイス共振器または共振器との間の結合効率を改善するのに用いられてもよく、異なる方向を向いている、またはそれらの双極子モーメントが好ましいように一直線に並べられていない共振器の間の結合を改善するのに用いられてもよい。
【０１４５】
ソース磁気共振器によって生じる振動磁場は、中継器共振器の導体部分に電流を発生させ得る。このような電流は、共振器内で振動することで独自の磁場を発生させ、そのことによって、磁場領域またはソースの磁場の分布を拡張または変更し得る。
【０１４６】
実施形態において、中継器共振器は、一つ以上のデバイス共振器のために動作する１つのソースとして動作してもよい。他の実施形態において、デバイス共振器は磁場を受けとると同時に、磁場を繰り返してもよい。さらに別の実施形態では、共振器はソース共振器、デバイス共振器、または中継器共振器として交互に動作してもよい。その交互の変化は、時間多重化、頻度多重化、自己チューニングまたは集中制御アルゴリズムによって成されてもよい。実施形態において、複数の中継器共振器は、空間的に様々な磁場を成すために、１つの領域におかれて、共振するように、そして、共振しないように調整されてもよい。実施形態において、強磁場のローカル領域は、共振器のアレイによって生成されてもよく、強磁場領域の位置は、アレイを構成する共振器の電気的なコンポーネントまたは動作特性を変えることによって動き回ってもよい。
【０１４７】
実施形態において、中継器共振器は容量性負荷ループ磁気共振器であってもよい。実施形態において、中継器共振器は磁気材料の周囲に巻かれる容量性負荷ループ磁気共振器であってもよい。実施形態において、中継器共振器は、中継器共振器と相互作用するか、または連結されるように設計されるソース、デバイス、または少なくとも１つの他の中継器共振器の共振周波数とほぼ同じ共振周波数を持つように調整されてもよい。他の実施形態において、中継器共振器は、中継器共振器と相互作用するか、または連結されるように設計されるソース、デバイス、または少なくとも１つの他の中継器共振器の共振周波数に対して、実質的に大きい、または実質的に小さい共振周波数を持つように離調されてもよい。好ましくは、中継器共振器は、１００以上の固有の品質係数Ｑｒを有する高Ｑの磁気共振器であってもよい。いくつかの実施形態において、中継器共振器は１００未満の品質係数を有していてもよい。いくつかの実施形態では、
【数８】
2015508987.tif 000010
である。また、他の実施形態では、
【数９】
2015508987.tif 000011
である。また、さらに他の実施形態では、
【数１０】
2015508987.tif 000012
である。
【０１４８】
実施形態において、中継器共振器は、ソース、負荷、コントローラ、モニター、制御回路等に接続されるさらなる回路を含まない共振器を備える誘導性または容量性のコンポーネントを含んでもよい。いくつかの実施形態において、中継器共振器は、追加的な制御回路、チューニング回路、測定回路またはモニタリング回路を含んでもよい。追加的な回路は、中継器共振器の電圧、電流、位相、インダクタンス、キャパシタンス等を監視するのに用いられてもよい。中継器共振器の測定パラメータは、中継器共振器を調整または適合させるのに使用されてもよい。動的に中継器共振器のキャパシタンス、共振周波数、インダクタンス、抵抗等を調節するために、コントローラまたはマイクロコントローラが中継器共振器に用いられてもよい。中継器共振器が、その電圧、電流、温度または電力の限度を上回ることを防ぐために、調整可能な中継器共振器が必要となり得る。中継器共振器に伝送される電力量を減らすために、または、中継器共振器と結合する他のデバイスまたは共振器にどれだけの電力が伝送されるかを調整または制御するために、中継器共振器はその共振周波数を例えば離調してもよい。
【０１４９】
いくつかの実施形態において、中継器共振器の電力および制御回路は、中継器共振器が電力をとらえることによって、電力供給されてもよい。中継器共振器は、電力および制御回路に電力を供給するために、ＡＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＡＣコンバータまたはＤＣ−ＤＣコンバータを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、中継器共振器は、さらなるエネルギー貯蔵コンポーネント（例えば無線電力伝送の中断時に瞬間的に、または長期間、電力および制御回路に電力を供給するバッテリーまたはスーパーキャパシタ）を含んでいてもよい。バッテリー、スーパーキャパシタ、または他の電力貯蔵コンポーネントは、いずれかの無線電力源の射程内に中継器共振器がある場合に、定期的に、または連続的に、通常動作中に再充電されてもよい。
【０１５０】
いくつかの実施形態において、中継器共振器は、１つのまたは複数のソースから、特定の場所もしくはデバイス、または複数の場所もしくはデバイスへの電力伝送を調整するのに用いられる通信または信号通信の能力（例えばＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ニア・フィールド・コミュニケーション等）を含んでもよい。一つの場所にわたって広がる中継器共振器は、ソースからの磁場を拡張して特定の領域またはデバイスまで広げるために、選択的に特定の共振周波数へ調整または特定の共振周波数から離調するように合図されてもよい。複数の中継器共振器は、選択的に調整もしくは離調するのに、またはソースからの電力を特定の領域またはデバイスへ中継するのに使われてもよい。
【０１５１】
中継器共振器は、ソースから中継器共振器へのエネルギーのうち、使用可能ないくつかの、最大の、または全てのエネルギーが伝送される、またはとらえられるデバイスを含んでいてもよい。中継器共振器は、ソースの範囲を中継しているか、広げている間に、電力を一つ以上の電気または電子デバイスへ供給してもよい。いくつかの実施形態において、ライト、ＬＥＤ、ディスプレイ、センサ等のような低消費電力デバイスは、中継器共振器の一部であってもよい。
【０１５２】
図２３−図２５は、いくつかの実施可能性のある構成を示し、電力源７４００に結合されるソース共振器７４０４、デバイス７４０２に結合されるデバイス共振器７４０８、および中継器共振器７４０６を含む無線電力伝送システムの配置の例を示す。いくつかの実施形態では、中継器共振器が、ソースの範囲を広げるために、ソースとデバイス共振器の間で使われてもよい。いくつかの実施形態では、図２３（ｂ）で示されるように、ソースに対して、後方に、デバイス共振器よりもさらに離れている場合がある。図２３（ｂ）で示される構成について、ソースとデバイスとの間の電力伝送は、中継器共振器が使われなかった場合と比較して、より効果的であり得る。図２３（ｂ）に示される構成において、中継器共振器がデバイス共振器より大きいことは好ましい場合がある。
【０１５３】
いくつかの実施形態において、非同軸共振器または双極子モーメントが高い結合要因またはエネルギー伝送効率となるように一直線に並べられているというわけではない共振器の間で結合を改善するのに、中継器共振器は用いられ得る。たとえば、図２４（ａ）で示されるようにデバイス共振器に揃えるか、図２４（ｂ）で示されるようにソース共振器に揃えるようにソースとデバイスの間に中継器共振器を置くことによって、同軸で並んでいないソースとデバイス共振器の間で結合を強化するのに、中継器共振器が用いられてもよい。
【０１５４】
いくつかの実施形態において、複数の中継器共振器は無線電力伝送を複数の方向に拡張するのに使われてもよく、図２５（ａ）で示されるように、複数の中継器共振器はだんだんと電力伝送の距離を広げるのに使われてもよい。いくつかの実施形態では、負荷または電子デバイスに接続されているデバイス共振器は、図２５（ｂ）で示されるように、もう一つのデバイス、中継器共振器、またはデバイス共振器として、同時に、または交互に動作し得る。所与のシステムまたは動作シナリオにおいて使われ得る共振器の数について理論的な制限がないことには注意すべきであるが、特定の数の共振器を好ましい実施形態とする実際的な問題があるかもしれない。たとえば、システムコストの問題は、特定のアプリケーションで使われ得る共振器の数を制限するかもしれない。システムサイズまたは集積化における問題は、特定のアプリケーションで使われる共振器のサイズを制限するかもしれない。
【０１５５】
いくつかの実施形態において、中継器共振器は、ソースまたはデバイス共振器と同じ寸法、サイズまたは構成を有してもよい。いくつかの実施形態において、中継器共振器は、ソースまたはデバイス共振器と異なる寸法、サイズまたは構成を有してもよい。中継器共振器は、デバイス共振器よりも大きな特性サイズ、ソース共振器よりも大きな特性サイズ、または両方よりも大きな特性サイズを有していてもよい。より大きな中継器共振器は、ソースとデバイスの間より大きい分離距離で、ソースと中継器共振器の間の結合を改善し得る。
【０１５６】
いくつかの実施形態において、二つ以上の中継器共振器が、無線電力伝送システムで使われてもよい。いくつかの実施形態において、二つ以上の中継器共振器が、二つ以上のソースまたはデバイスとともに使われてもよい。
【０１５７】
中継器共振器の動作モード
【０１５８】
テーブル、机、棚、キャビネット、ベッド、テレビスタンドおよび他の家具の上で、隣で、または中で電力を与えられるか、充電され得る電子装置に組み入れられる一つ以上の共振器へのソースから無線電力伝送を強化または改善するのに、中継器共振器は用いられてもよい。電力源にどんな有線の電気接続も必要とすることなく、中継器共振器は、家具、建物、および／またはコンテナの上または隣のエネルギーを与えられた表面、体積部分、またはエリアを生成するのに使用されてもよい。中継器共振器は、家具、建物、および／またはコンテナの外側のソースと、家具、建物、および／またはコンテナの付近にある一つ以上のデバイスとの間の結合および無線電力伝送を改善するのに用いられてもよい。
【０１５９】
図２６に表される１つの例示的な実施形態において、集積された、または取り付けられたデバイス共振器８５１２を有する電子装置８５１０、８５１６、８５１４への電力供給、または充電のために、テーブルの上部にエネルギーを与えるのに、テーブル表面８５０２の中継器共振器８５０４が使われ得る。中継器共振器８５０４は、デバイス共振器８５１２へのソース８５０６からの無線電力伝送を改善するのに用いられてもよい。
【０１６０】
いくつかの実施形態において、電力源とソース共振器は、壁、床、間仕切り、天井、パーティション、壁カバー、床材等に組み入れられてもよい。中継器共振器を含む家具は、電力源とソース共振器を含む壁、床、天井、パーティション、壁カバー、床材等の近くに家具と中継器共振器を置くことによって、エネルギーを与えられてもよい。ソース共振器に近く、ソース共振器とほぼ同じ共振周波数を持つように構成される場合に、中継器共振器はソースによって生じる振動磁場を通してソース共振器に結合されてもよい。振動磁場は、振動磁場を引き起こす中継器共振器の導体ループに振動する電流を生じさせるため、それによって、単独で電力源とソース共振器によって発生する磁場の範囲または方向を広げたり、拡大したり、再配向させたり、集中させたり、または変えたりしてもよい。中継器共振器を含む家具は、家具を電力源とソース共振器を収納している壁、床、天井等の隣に置くことによって、家具と電力源およびソース共振器との間を物理的なケーブル、または有線の電気接続を必要とすることなく効果的に「接続される」、またはエネルギーを与えられて無線電力を家具の上の、下の、または隣のデバイスに提供することができてもよい。中継器共振器からの無線電力は、中継器共振器の付近にあるデバイス共振器と電子装置に供給されてもよい。電力源は、コンセント、電気の送電網（electric grid）、発電機、太陽電池パネル、燃料電池、風力タービン、バッテリー、スーパーキャパシタ等を含んでよいが、これらに限定されるものではない。
【０１６１】
実施形態において、中継器共振器は、小さな特性サイズの、非最適方向の、および／またはソース共振器から大きく離れたデバイス共振器への結合と無線電力伝送の効率を強化し得る。本明細書において先に述べ、図１５、図１６に示されるように、無線電力伝送の効率は、ソースとデバイス共振器の間の分離距離に逆比例し、より小さなソースまたはデバイス共振器の特性サイズと関連して記述され得る。たとえば、スマートフォン８５１２のようなモバイル機器に集積されるように設計され、およそ５ｃｍの特性サイズを有するデバイス共振器は、壁に据えつけるように設計され、５０ｃｍの特性サイズを有するソース共振器８５０６よりもずっと小さく、これらの２つの共振器の間の間隔は６０ｃｍ以上、またはデバイス共振器のおよそ１２個以上の特性サイズであり得て、結果として低い電力伝送効率に終わる。しかし、図２６で示されるように、５０ｃｍ×１００ｃｍの中継器共振器がテーブルに組み込まれるならば、ソースと中継器の間の間隔はソース共振器のおよそ１つの特性サイズであり得るため、中継器へのソースからの電力伝送の効率は高くなり得る。同様に、テーブルまたは中継器共振器の上に置かれるスマートフォンのデバイス共振器は、１つ未満の特性サイズの分離距離を有するかもしれず、結果として中継器共振器とデバイス共振器の間で高効率の電力伝送となり得る。ソースとデバイスの間の総合的な伝送効率は、ソースから中継器へ、および中継器からデバイスへの両方の結合のメカニズムを考慮しなければならないところ、中継器共振器の使用は、ソースとデバイス共振器の間の全体的な効率の改善を提供し得る。
【０１６２】
実施形態において、ソースとデバイス共振器の双極子モーメントが一直線に並べられていないか、好ましくない、または最適でない方向に置かれているならば、中継器共振器が、ソースとデバイスの間の結合と無線電力伝送の効率を強化するかもしれない。図２６で表される例示的なシステム構成例では、壁に組み込まれた容量性負荷ループのソース共振器が、壁の平面に垂直な双極子モーメントを有してもよい。例えばモバイル・ハンドセットの背面、またはラップトップの底といったデバイスの一つ以上の大きな表面に容量性負荷ループの共振器が組み込まれる場合等に、通常、平坦な表面に静止して置かれる、モバイル・ハンドセット、コンピュータ等の平坦なデバイスは、テーブルの面に垂直な双極子モーメントを有するデバイス共振器を含んでもよい。このような相対的向きは、たとえば、ソースとデバイス共振器の双極子モーメントが同じ平面にある場合より、エネルギーを生じさせる結合と電力伝送効率が低くなり得る。図２６で示されるように、その双極子モーメントをデバイス共振器の双極子モーメントと一直線に並べた中継器共振器は、ソースとデバイスの間で無線電力伝送の全体的な効率を上昇させ得る。なぜならば、大きなサイズの中継器共振器は、たとえ２つの共振器の双極子モーメントが直角であるとしても、中継器共振器の方向がデバイス共振器との結合に好ましいならば、ソース共振器との間の強い結合を与え得るからである。
【０１６３】
図２６に示される例示的な実施形態で、壁に据えつけられる５０ｃｍ×５０ｃｍのソース共振器８５０６とソース共振器の中心からとおよそ６０ｃｍ離れてテーブルの上に存在しているスマートフォンサイズのデバイス共振器８５１２の間の直接的な電力伝送効率は、中継器共振器の存在なしで、およそ１９％であると計算された。示される５０ｃｍ×１００ｃｍの中継器共振器を加えて、ソースとデバイス共振器の相対的な位置と方向を維持することは、およそ６０％まで、ソース共振器からデバイス共振器への結合効率を改善した。この一つの例では、ソース共振器から中継器共振器への結合効率はおよそ８５％であり、そして、中継器共振器からデバイス共振器への結合効率はおよそ７０％であった。この例示的な実施形態で、改善は、中継器共振器のサイズと方向の両方に依拠することに注意すべきである。
【０１６４】
図２６で表される例示的なシステムのように、中継器共振器を使うシステムの実施形態では、中継器共振器は、テーブルまたは家具の上面に組み込まれてもよい。他の実施形態において、中継器共振器はテーブル面の下に取り付けられるか、または取り付けられるように構成されていてもよい。他の実施形態において、中継器共振器は、テーブルの脚、パネルまたは構造用支持材に組み込まれてもよい。中継器共振器は、テーブル棚、引き出し、自在板、支持材等に組み込まれてもよい。さらに他の実施形態において、中継器共振器は、テーブル面の上に置かれるマット、パッド、布、鍋つかみ等に組み込まれてもよい。中継器共振器は、ボウル、ランプ、食器、額縁、本、小間物、キャンドルスティック、ホットプレート、生け花、バスケット等のようなアイテムに組み込まれてもよい。
【０１６５】
実施形態において、中継器共振器は磁気材料のコア、または磁気材料の外形を使用してもよく、デバイスとソース共振器の間の結合を改善するために、または、家具、建物またはコンテナの一部である損失性物体から中継器共振器を遮蔽するために、中継器共振器の場を形づくる導電表面を使ってもよい。
【０１６６】
実施形態において、上述の例示的なテーブルに加えて、中継器共振器は、椅子、ソファー、本棚、カート、ランプ、敷物、カーペット、マット、スロー（throws）、額縁、デスク、カウンター、クロゼット、ドア、窓、スタンド、アイランド（islands）、キャビネット、ハッチ（hutches）、ファン、シェード（shades）、シャッター、カーテン、足載せ台等に組み込まれてもよい。
【０１６７】
実施形態において、中継器共振器は、共振器を調整する、または共振器の内部そして共振器の外部で、多くの電圧、電流、位相、温度、場等を制御および監視する、電力および制御回路を備えていてもよい。中継器共振器と電力および制御回路とは、一つ以上の動作モードを提供するように構成されてもよい。中継器共振器の動作モードは、中継器共振器としてだけ動作するように構成されてもよい。他の実施形態において、中継器共振器の動作モードは、中継器共振器および／またはソース共振器として動作するように構成されてもよい。たとえば、ソース共振器が機能していないか、家具の近くにないならば、電力および制御回路のアンプにエネルギー源を与えて、中継器共振器をソースに代えるように、中継器共振器は、電力源との接続を可能にするコンセントのようなオプションのパワーケーブルまたはコネクタを備えていてもよい。他の実施形態において、中継器共振器は、中継器共振器によってとらえられるＤＣまたはＡＣ電源を受け取る電気デバイスまたは電子デバイスとの接続を提供するように、デバイス共振器としても動作する第３の動作モードを備えていてもよい。実施形態において、これらのモードはユーザによって選ばれてもよいし、ソース磁場、電力接続またはデバイス接続の可用性に基づいて中継器共振器の電力および制御回路によって自動的に選ばれてもよい。
【０１６８】
実施形態において、中継器共振器は、壁、床、他のオブジェクトまたは建物に組み込まれる多くのソース共振器とともに動作するように設計されてもよい。中継器共振器は、壁、家具、天井等から永続的にまたは一時的に取り付けられるか、つるされるか、ぶらさげられるソースとともに動作するように構成されてもよい。
【０１６９】
中継器共振器の使用について、テーブルおよびテーブル上のデバイスを示した例示的な実施形態で説明したが、同じ構成および設計がいくつかの類似する構成、家具、およびデバイスで使用、展開され得ることは、当業者にとっては明らかであろう。ソースの近くにキャビネットまたはスタンドが置かれる場合に、中継器共振器がスタンドまたはキャビネットに置かれるテレビ、映画プレーヤー、リモコン、スピーカー等の電子デバイスに電力供給または再充電するのに、十分なエネルギーを伝送できるように、たとえば、中継器共振器は、テレビ、メディア・スタンドまたはキャビネットに組み込まれてもよい。
【０１７０】
実施形態において、中継器共振器は、電子装置、電子おもちゃ、リモコン、ゲームコントローラ等を入れるのに用いられるバケツまたは箱に組み込まれてもよい。箱またはバケツがソースの近くに置かれるとき、中継器共振器は、バッテリーを再充電することができるように組み込まれたデバイス共振器を用いて、箱またはバケツの中のデバイスへソースからの電力伝送を強化し得る。
【０１７１】
図２７は、中継器共振器の使用を示しているもう一つの例示的な実施形態を表す。この実施形態において、中継器共振器は、取り決めにおいて電力源および消費者の使い方および状態に従い３つの異なる動作モードで使われてもよい。図は、内部のコンポーネントを示すために透明であるように表されているハンドバッグ８６０２を示す。この例示的な実施形態において、携帯電話、ＭＰ３プレーヤー、カメラ、コンピュータ、電子書籍端末、ｉＰａｄ（登録商標）、ネットブック等のような電子装置８６１０の保管または運搬のために使用される別の袋、小型バッグ、ポケットまたはコンパートメント８６０６がバッグ８６０２の中にあってもよい。コンパートメント（compartment）に少なくとも３つの動作モードで動作する共振器８６０８が備えられてもよい。１つのモードでは、共振器８６０８は、充電式であるか取り替え可能なバッテリー、バッテリーパックまたは他のタイプの携帯用の電源８６０４を含む電力および制御回路と結合されて、ハンドバッグ８６０２またはハンドバッグのコンパートメント８６０６にある電子装置を無線で再充電するか、電力供給するための無線電力源として動作し得る。この構成とセッティングでは、バッグとコンパートメントが、電子装置のための携帯用の無線充電ステーションまたは発電ステーションとして使われ得る。
【０１７２】
外部ソース、ソース共振器（図示せず）、および、バッグまたはコンパートメントの内部のデバイス８６１０のデバイス共振器８６１２の間で結合と無線電力伝送効率を改善するために、外部ソースから無線電力伝送を拡大する中継器共振器としても、共振器８６０８は使われ得る。中継器共振器は、バッグの内側のデバイス共振器またはコンパートメントより大きくてもよく、ソースとの結合を改善し得る。
【０１７３】
もう一つのモードでは、電子装置にも、無線電力源で使われる携帯用の電源にも、電力を供給する中継器共振器として、共振器が使われてもよい。外部ソースまたはソース共振器の近くに置かれるとき、バッテリー８６０４を充電するか、ソース共振器として将来的に使用され得るコンパートメント８６０６の携帯型エネルギー源を再充電するために、とらえられる無線エネルギーは中継器共振器により使用されてもよい。コンパートメントバッテリー８６０４および、コンパートメント８６０６またはバッグ８６０２の内側のデバイス８６１０のバッテリーの両方を充電可能にするように、デバイスを有する全てのバッグは、ソース共振器の近くに置かれてもよい。
【０１７４】
実施形態において、コンパートメントはバッグまたは容器に組み入れられてもよく、また、バックパック、財布、買物袋、荷物、デバイスケース等のあらゆるバッグまたは貯蔵構内（storage enclosure）に入れられ得る、付加的なまたは独立したコンパートメントであってよい。
【０１７５】
実施形態において、共振器がソース共振器としてだけ、中継器共振器としてだけ、または、同時もしくは断続的に、ソース、デバイス、および中継器共振器のあらゆる組合せとして構成されるように、共振器は、電力および制御回路を共振器と結合させたり、切り離したりするスイッチを含んでもよい。図２８は、３つの動作モードで制御し、切り替えることができる共振器の例示的な回路構成のブロック図である。この構成において、容量性負荷導電ループ８６０８は、共振器を形成するのに、チューニングネットワーク８７２８に結合される。共振器の共振周波数、インピーダンス、抵抗等をセットし、構成し、または修正するのに、チューニングネットワーク８７２８は用いられてもよい。共振器は、少なくとも２つの回路ブランチのどちらか一つ（デバイス回路ブランチ８７０４またはソース回路ブランチ８７０６）に共振器を結合または接続するか、非アクティブ状態または特定の中継器動作モードの間に、少なくとも２つの回路ブランチのどれからでも切り離すのに用いられる、多くのソリッドステートのスイッチ、リレー等を含むスイッチングエレメント（switching element）８７０２に結合されてもよい。デバイス回路ブランチ８７０４は、共振器が中継器動作モードまたはデバイス動作モードで動いているとき、使用されてもよい。デバイス回路ブランチ８７０４は、共振器の電気エネルギーを、デバイス、負荷、バッテリー等が要求する特定のＤＣまたはＡＣ電圧に変換し、インピーダンス整合ネットワーク８７０８、整流器８７１０、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＡＣコンバータ８７１２、および電力を要求しているあらゆるデバイス、負荷、またはバッテリー８７１４を含んでもよい。デバイス回路ブランチは、デバイス動作モードおよび／または中継器動作モードの間、アクティブであってもよい。中継器動作モードのとき、デバイス回路ブランチは、共振器が外部ソースからもう一つの共振器まで振動磁場を同時に繰り返す間、負荷に電力供給するか、または充電するために、共振器からいくらかの電力を出させるように構成されてもよい。
【０１７６】
共振器の中継器および／またはソースの動作モードの間、ソース回路ブランチ８７０６が使われてもよい。無線で電力を他の共振器へ伝送するのに使用される振動磁場を発生させる共振器をドライブするために、ソース回路ブランチ８７０６は、振動電気エネルギーを提供してもよい。ソース回路ブランチは、電力源８７２２を含んでもよく、そして、電力源８７２２は、共振器のデバイス動作モードの間に充電されるバッテリーのような同じエネルギー貯蔵装置であってもよい。動力源の電圧を変えて、インピーダンス整合ネットワーク８７１６を通って共振器をドライブするのに用いられる振動電圧を発生させるために、ソース回路ブランチは、ＤＣ−ＡＣコンバータ８７２０またはＡＣ−ＡＣコンバータを含んでもよい。ソース回路ブランチは、共振器がソース動作モードおよび／または中継器動作モードであって電力源８７２２から他の共振器まで無線電力伝送を可能にしている間、アクティブであってもよい。中継器動作モードの間、ソース回路ブランチは、共振器への電力を増幅させるか、補うのに用いられてもよい。中継器動作モードの間、デバイスに電力供給するか、または充電するのに十分強い場（field）を移すか、または繰り返すことを中継器共振器に可能にさせるには、外部磁場はあまりに弱い場合がある。他のデバイスに電力供給するか、または充電するのに十分な、より強い振動磁場を生み出すために、外部磁場から共振器８６０８で誘導される振動電圧を補うのに、電力源８７２２からの電力が用いられてもよい。
【０１７７】
いくつかの例では、デバイスとソース回路ブランチは、共振器から切り離されるかもしれない。中継器動作モードの間、共振器は適切な一定の周波数とインピーダンスに調整されて、受動的に動作してもよい。つまり、方法では、容量性負荷導電ループにおけるコンポーネントの値（values）とネットワークのチューニングは動的に制御されない。
いくつかの実施形態において、デバイス回路ブランチは、中継器動作モードの間、共振器を監視し、設定し、調整するのに用いられる回路を電力制御し、測定するのに、起動と接続を必要とするかもしれない。
【０１７８】
実施形態において、共振器と回路の動作特性を監視するために、複数のモードで動作可能にされた共振器の電力および制御回路は、回路のいずれかのコンポーネントまたはサブブロックに、プロセッサ８７２６と例えばアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）等の測定回路を含んでもよい。共振器の動作特性は、回路のパラメータを調整するか、制御するか、または動作モードをスイッチするために、プロセッサによって解釈または処理されてもよい。どの動作モードにし、どの回路ブランチをアクティブにするかを決定するために、共振器の電圧、電流、および電力センサは、たとえば、共振器が外部磁場の範囲内にあるかどうか、または、デバイスが存在するかどうか決定するのに使用されてもよい。
【０１７９】
記載され、示された中継器共振器を備える例示的な実施形態では、説明を単純化するために考察において一つの中継器共振器に限定していたことが理解されるであろう。すべての例は、異なる動作モードで実行中の複数のデバイスまたは中継器共振器を有するように拡張可能である。
【０１８０】
無線電力コンバータ
【０１８１】
いくつかの無線エネルギー伝送システムおよび構成において、パラメータまたは無線電力伝送の構成を変えるために、無線エネルギーコンバータが使用されてもよい。いくつかの実施形態において、システムは、一つ以上の異なる、できるかぎり非互換のパラメータで動作し、無線エネルギーを伝送する能力があるか、そのように構成された、一つ以上のソースまたは一つ以上のデバイスを備えていてもよい。無線エネルギーコンバータは、非互換であるか異なるパラメータで無線エネルギーを受けとる、またはとらえるように構成されたソースとデバイスの間のエネルギー伝送を可能にする無線電力伝送のパラメータまたは特性を変換、または変えるのに、使用されてもよい。本開示において、無線電力コンバータ、無線エネルギーコンバータ、無線コンバータ、無線電力変換、無線エネルギー変換、無線変換などの用語は、互換可能に使用され得ることに注意すべきである。
【０１８２】
実施形態において、無線電力コンバータは、無線電力伝送の特性を変えて、異なるパラメータまたは特性で無線エネルギー伝送を行うために設計または構成されたソースとデバイスの間で電力伝送を可能にするのに使用され得る。たとえば、ソース共振器は、特定の共振周波数で動作するように構成または設計されて、その周波数で振動磁場を通してエネルギーを伝送してもよい。デバイス共振器は、異なる共振周波数で動作するように構成または設計されてもよいし、振動磁場がデバイス共振周波数、または、その近くの周波数にある場合だけ無線でエネルギーを受け取るように構成または設計されてもよい。ソースとデバイスの共振周波数がかなり異なるならば、ごくわずかしか、または全くエネルギーを伝送できないかもしれない。無線電力コンバータは、無線エネルギーがデバイスで利用されるような特性またはパラメータを有するように、ソースによって伝送される無線エネルギーを変えるのに使用されてもよい。たとえば、無線電力コンバータは、１つの周波数で振動磁場を通してエネルギーを受け取ってもよいし、とらえたエネルギーを、ソースとは異なる共振周波数を有するデバイスに利用されて、受け取られる異なる共振周波数の振動磁場を生成するのに使用してもよい。
【０１８３】
図２９は、例示的な無線電力コンバータの機能と使用法を表す。無線エネルギー伝送システムにおいて、一つ以上のソース８８１０は、一つ以上の周波数の振動磁場８８１４を生じさせてもよい。無線電力コンバータ８８０８は、ソース８８１０と結合されて振動磁場８８１４からエネルギーをとらえてもよいし、デバイス８８１２で利用でき、ソース共振器の周波数とは異なり得る一つ以上の周波数の振動磁場８８１６を発生させることによって、とらえたエネルギーの一部もしくは全部を伝送してもよい。無線電力コンバータ８８０８がソース８８１０とデバイス８８１２の間に位置する必要はないことに注意するのは重要であるが、一般に、ソースとデバイスの両方の付近に位置する。ソースによって発生するのと異なるパラメータまたは特性で動作またはエネルギーを受け取るようにデバイスが構成されるならば、たとえソースとデバイスが近くに置かれていても、デバイスはソースからかなりの量の電力を受け取ることができないことに注意すべきである。実施形態において、無線電力コンバータは、ソースのパラメータをデバイスで受け取られるパラメータに適応させるのに用いられてもよく、コンバータがない非互換のソースとデバイスの間の無線電力伝送の効率を上昇させ得る。いくつかの実施形態において、無線電力コンバータは、中継器共振器としても用いられてもよく、ソースとデバイスの間、または、デバイスの近くに置かれるとき、無線電力伝送の範囲を広げるか、強化するか、または修正し得る。
【０１８４】
無線電力コンバータは、多くの無線電力システムとアプリケーションのために有益であり得る。いくつかの実施形態において、無線電力コンバータは、通常非互換の共振器または無線電力伝送システムの間で無線電力伝送の特性を変えるのに用いられてもよい。
【０１８５】
いくつかの実施形態において、無線電力コンバータは、異なる電力需要、電力出力等のソースとデバイスの間での無線電力分布を管理し、切り離し、または強化するために、無線電力伝送システムによって利用され得る。実施形態において、いくつかの無線電力伝送システムと構成は、異なる電力需要のデバイスを使用するかもしれない。システムのいくつかのデバイスは、他のデバイスが数ワットの電力またはより少ない電力を必要とする一方で、数百ワットの電力を求める電力要求を有するかもしれない。無線電力コンバータのないシステムでは、電力要求とデバイスの電力要求のそのような違いは、更なる設計制約と限界をデバイスのハードウェアと動作に押しつけるかもしれない。たとえば、すべてのデバイスが同じ周波数で動くように構成されるシステムでは、数ワットの低い電力需要のデバイスは、数百ワットの電力を必要としているデバイスの電圧、電流、および磁場強度に耐えるように設計されている必要があり得る。実施形態において、低電力デバイス共振器に含まれる回路コンポーネントは、熱として多くの電力を消費することを要求され得る。高い電圧、電流、電力等を減らす一つの方法では、低電力デバイスが、低電力デバイスの共振周波数を高電力源の共振周波数から離調するか、周波数ホッピングまたは時分割多重化の技術を定期的に、または、調整可能な間隔で使用して、デバイスをソースから分離することを要求する。これらの構成はデバイスで受け取られる平均電力を減らし、デバイスで使われるコンポーネントの範囲を拡大し得る。なぜならば、短い期間の間、高い電圧、電流、電力等に耐えることができるコンポーネントは、長期間の間、または、持続性動作のために、そのような電圧、電流、電力を維持しなければならないコンポーネントより小さく、高価ではなく、より可能であり得るためである。
【０１８６】
実施形態において、例えば、デバイスの共振周波数が調整できないとき、または、高電力源と低電力デバイスの間で無線電力の伝達をサポートする動作点に共振周波数が合わせられるとき、無線電力コンバータは無線電力伝送をサポートするのに使用され得る。
【０１８７】
例示的な実施形態において、無線電力構成は、テレビに壁のソースから２００ワット以上の電力を無線で伝送するかもしれない。このような実施形態では、テレビの近くに置かれるテレビリモコン、ゲームコントローラ、さらなるディスプレイ、ＤＶＤプレーヤー、音楽プレーヤー、ケーブルボックス等に無線電力を供給するのにも役立つ場合がある。これらのデバイスの各々は、異なる電力レベル、またはソースから入手可能であるよりずっと低い電力レベルを必要とするかもしれない。このような実施形態では、たとえば、テレビの動作を中断させることなくソースで利用できる電力を調節することができない場合がある。これに加えて、テレビリモコン、ゲームコントローラ、さらなるディスプレイ、ＤＶＤプレーヤー、音楽プレーヤー、ケーブルボックス等は、たとえば図２６に示されるように、棚またはテーブルに置かれる、より低い電力供給を受けた表面のソースのような、他の無線電力源から電力を受け取ることが可能なようにしてもよい。無線電力コンバータなしでは、テレビへ数百ワットの供給ができるソースによって発生させられる電圧、電流、および磁場に耐えるように、低電力デバイスの無線電力伝送ハードウェアを設計することが必要である場合がある、同様に、たとえば、より低い電力供給を受けた表面のソースから低電力デバイスが電力を受け取るとき、効率的であり得る。この種の動作を可能にする低電力デバイスのために回路は設計されるかもしれないが、いくつかの実施形態において、低電力デバイスの回路を低電力源で動作するように最適化して、高電力源から利用可能な高い電力レベルをより低い電力レベルへ変えるのに電力コンバータを使用することが、好ましい場合がある。無線電力コンバータは、高電力源で生じた無線エネルギーの一部をとらえたり、いろいろなシステムの要求に応じて電力を条件づけたり、この例示的な実施形態に記載の低電力デバイスによる受信にふさわしいように異なる周波数、電力レベル、磁場強度、インターバル等で条件つきの電力を再供給したりしてもよい。
【０１８８】
いくつかの実施例では、たとえば１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の低周波数において、５０ワット以上の電力を必要とする高電力デバイスを動作させることが好ましいことがある。安全への考慮による許容される磁場の限度は比較的高く、低い動作周波数で放射される電力レベルは低い場合がある。いくつかの実施形態で、より高いＱの共振器を実現し、および／または、より小さな、または、共振器と電力および制御回路をより小さく、および／または、より密接に集積することを可能にするのに効果的な、キャパシタ、インダクタ、ＡＣ−ＤＣコンバータ等の電気および電子コンポーネントを利用するために、５００ｋＨｚ以上のより高い周波数で、５０ワット以下の電力を必要としている小型の低電力デバイスを動作させることが、好ましい場合がある。
【０１８９】
実施形態において、無線電力コンバータは、異なるパラメータを有する複数のソースから伝送される無線電力を１つのソースに変えるのに用いられてもよく、複数のデバイスと互換性を持つように無線電力パラメータを変えるのに使用されてもよい。実施形態において、無線電力コンバータは、異なるパラメータで動作している他のソースからの無線電力を変えることによって、特定の無線電力源を増幅させるのに使用されてもよい。
【０１９０】
図３０は、無線電力コンバータを使用している無線電力伝送システムの構成の例示的な実施例を表す。構成の一部として、無線電力コンバータ８９１４は、異なるパラメータで動作するように構成または設計される、一つ以上のソース８９２２、８９２４からの振動磁場８９３２、８９３０から、エネルギーをとらえてもよい。無線電力コンバータ８９１４は、エネルギーをとらえて、そこからのエネルギーがとらえられるソース８９２２、８９２４と異なる一つ以上のパラメータの磁場８９３４、８９３６、８９３８を発生させて、エネルギーを一つ以上のデバイス８９１６、８９１８、８９２０へ伝送してもよい。この構成のもう一つの側面として、無線電力コンバータ８９１４は、異なるパラメータで動作するように設計されている一つ以上のソース８９２２、８９２４からエネルギーをとらえて、ソース８９２２、８９２４からの場と異なるパラメータの場８９３０、８９３２へ「増幅」または増大を提供するもう一つのソース８９２６の場８９２８と整合するパラメータで磁場８９３４を発生させるのに使用されてもよい。
【０１９１】
実施形態で、無線電力コンバータは、一つ以上のパラメータで無線エネルギーをとらえるように構成されるか、または構成可能な一つ以上の磁気共振器と、一つ以上のパラメータで無線エネルギーを伝送するように構成されるか、または構成可能な一つ以上の共振器と、を備えてもよい。たとえば、振動磁場の周波数パラメータを変えるように設計される無線電力コンバータは、図３１（ａ）のように表される。無線電力コンバータ９０１２は、一つ以上の周波数に調整されるか、または調整可能な一つ以上の磁気共振器９０１４、９０１６を備えていてもよい。振動磁場９００２によって共振器９０１４で発生する振動電圧は、一つ以上の異なる周波数で振動磁場９００４を発生させる振動電流でもう一つの共振器９０１６を動作させるために、ＤＣ−ＡＣコンバータ９００８によって修正、調整されてもよい。実施形態において、無線電力コンバータのＤＣ−ＡＣコンバータは、周波数と出力電力レベルの幅を生み出すために、コントローラ９０１０を用いて調整されるか、または調整可能であってもよい。
【０１９２】
図３１（ｂ）に表されるように、実施形態において、受け取る側の共振器９０１４の振動電圧は、ＡＣ−ＡＣコンバータ９０１８を用いて、異なる周波数の振動電圧に変わって、最初に受け取った電圧と電流をＤＣに変えずに、無線電力コンバータの共振器９０１６に電力供給するのに用いられてもよい。実施形態において、とらえられて伝送される磁場がお互いの倍数であるように磁場の周波数を変えるために無線電力コンバータを構成、設計することが好ましく、とらえられたエネルギーの周波数を、最初にＤＣ電圧に変えずに異なる周波数に変えるために、ダイオード、非線形の要素、周波数逓倍器、分周器等が用いられてもよい。
【０１９３】
実施形態において、無線電力コンバータは、１つの周波数でエネルギーをとらえることと、異なる周波数でエネルギーを伝送することとで時間多重化する一つ以上の共振器を含んでもよい。時間多重化電力コンバータのブロックは図３２で表される。時間多重化無線電力コンバータ９１０２は、振動磁場９１０４をとらえて、ＡＣ−ＤＣコンバータ９１１４を用いて発生したＡＣエネルギーをＤＣエネルギーに変えて、スーパーキャパシタ、バッテリー等のようなエネルギー貯蔵要素９１０８に充電するために、調整されてもよい。
しばらくして、共振器９１１６は異なる周波数に合わせられ、エネルギー貯蔵要素９１０８に保存されたエネルギーは、新しい共振周波数での振動電圧に調整され、それによって振動磁場を発生させる共振器９１１６をドライブするために、増幅器またはＤＣ−ＡＣコンバータ９１１２に電力供給するのに使用されてもよい。実施形態において、共振器９１１６は、数ミリ秒、数秒または数分おきに、電力をとらえることから伝送することへとを切り替えてもよい。貯蔵要素のエネルギーが予め定められたレベルに達すると直ちに、共振器は電力をとらえることから伝送することへと切り替え、そして、貯蔵要素のエネルギーが予め定められたレベルより下がると、共振器は電力をとらえるように切り替えるように構成されてもよい。実施形態において、低電力要求のデバイスへの高電力源から電力を変える無線電力コンバータは、ごくわずかな時間多重化サイクルで電力をとらえて、サイクルの残りでゆっくりとデバイスが要求する電力レベルで、電力を伝送してもよい。
【０１９４】
無線電力コンバータを利用しているシステムの実施形態では、エリア、部屋または地域は、壁、天井、パーティション等に組み込まれる複数のソースによって、低電力磁場でいっぱいになるか、エネルギーを与えられ得る。異なる無線電力コンバータは、エリア内の異なるクラスまたはタイプのデバイスへ電力を伝送するために、低電力磁場をとらえて、異なる周波数、パラメータおよび電力レベルに変えるように、分配されるか戦略的に異なる場所に置かれてもよい。無線電力コンバータを利用しているシステムの実施形態において、ソースの変化または再構成を要求することなく、特定化した電力需要または構成の多数のいろいろなデバイスで機能し動作するように、ソースは構成されるか拡張されてもよい。
【０１９５】
実施形態において、無線電力コンバータは、いかなる追加的なエネルギー入力も必要とせずに、単に無線電力伝送のパラメータと特性を変えてもよい。実施形態において、無線電力コンバータは、伝送されるエネルギーを補うのに用いられるバッテリー、太陽電池パネル等からの追加的なエネルギー入力があってもよい。
【０１９６】
実施形態において、多くの周波数、電力レベルまたはエネルギー多重化構成から多くの周波数、電力レベルまたはエネルギー多重化構成に変えるように調整でき、可変であるように、無線電力コンバータは調整でき、可変であってもよい。たとえば、１つのソースまたは最も強いか適切な磁場を有するソースの電力レベルまたは周波数をセンシングすることで、自動的に調整されてもよい。コンバータは、１つまたは複数のソース、１つまたは複数のデバイス、１つまたは複数の中継器、マスターコントローラ、コントローラまたは他のコンバータによって、要求または必要とされる変更のパラメータに従った構成を可能にする通信または信号通信の能力を含んでもよい。コンバータは、１つもしくは複数のソースを活性化させるかさせないか、１つもしくは複数のデバイス、中継器の電力要求に応じて電力レベルを上げるか下げるか、または、どのコンバータにエネルギーを伝送し、どのコンバータに電力伝送の特性を適応し、変えて、移すかを通信または信号通信してもよい。
【０１９７】
振動磁場の周波数を変えるコンバータに関して無線電力コンバータの特定の実施例の多くが記述されたが、周波数が例示的なパラメータであって、他のパラメータは発明の意図を逸脱しない範囲で変更され得ることが理解されよう。実施形態において、パワーコンバータは位相、振幅等を含む多くのパラメータを変えてもよい。いくつかの実施例では、無線電力コンバータは、周波数ホッピングのシーケンスまたはタイミングを変えるか、恒常的であるか周期的なホッピング動作モードを使用するか、期待するデバイスにある１つの周波数のソースが電力供給することを許可し得る。いくつかの実施形態において、  コンバータは、電力レベル、電力分布アルゴリズム、およびシーケンスを調整し、優先的または階層的な充電または電力供給サービスを実施するために時間多重化技術を用いてもよい。
【０１９８】
実施形態において、無線電力コンバータは、無線電力伝送のパラメータを変えて、また、もしくはその代わりに、ソースの場によって発生する場の分布を変えてもよい。無線電力コンバータは、異なるサイズのデバイスまたは異なる間隔での動作を可能にするか、強化するために、ソースの磁場を再分布するように構成される、複数のサイズの、またはいろいろなサイズの共振器を含んでもよい。実施形態において、小さなソース共振器は、大きなデバイス共振器へ電力を伝送するのに最も効率的でない場合がある。同様に、大きなソース共振器は、小さなデバイス共振器へ電力を伝送するのに最も効率的でない場合がある。無線電力コンバータは、ソースまたはデバイス共振器の変更または再構成を必要とすることなく、デバイス共振器への無線電力伝送の効率の改善のために、磁場をとらえて、再分布する二つ以上の違う大きさの共振器を含んでもよい。
【０１９９】
たとえば、図３３（ａ）で表されるように、大きなキャプチャ共振器（capture resonator）９２１６と小さな伝送共振器（transmitting resonator）９２１８を備える無線電力コンバータ９２１４は、小さなデバイス共振器９２１２の近くに置かれてもよく、大きな遠くのソース共振器９２０８と小さなデバイス共振器９２１２の間で無線電力伝送効率を改善するかもしれない。図３３（ｂ）で表されるように、同様に、小さなキャプチャ共振器９２１８と大きな伝送共振器９２１６を備える無線電力コンバータ９２１４は、小さなソース共振器９２０８の近くに置かれてもよく、大きな遠くのデバイス共振器９２１２と小さなソース共振器９２０８の間で無線電力伝送効率を改善するかもしれない。コンバータ共振器は、ソース共振器からコンバータ共振器までの無線電力伝送の効率を最大にするために、サイズを設定される一つ以上のキャプチャ共振器と、コンバータ共振器からデバイス共振器までの無線電力伝送の効率を最大にするために、サイズを設定される一つ以上の伝送共振器と、を含んでもよい。いくつかの実施形態において、キャプチャ共振器でとらえられるエネルギーは、直接に伝送共振器に電力供給するのに用いられてもよい。実施形態において、キャプチャ共振器でとらえられるエネルギーは、伝送共振器にエネルギーを与えるのに用いられる前に、変えられ、修正され、メーターで測定され、または増幅されてもよい。異なるサイズの共振器を備える無線電力コンバータは、結果としてシステム効率を改善し得る。
【０２００】
無線エネルギー分布システム
【０２０１】
無線エネルギーは、中継器共振器を使っているエリアに分布し得る。実施形態において、床、天井、壁、テーブル上、表面、棚、本体、領域等のような全部のエリアは、エリア上をおおって一連の中継器共振器とソース共振器を配置またはタイル張りすることによって、無線でエネルギーを与えられ得る。いくつかの実施例では、共振器を含むオブジェクトのグループは電力をそれらでシェアして、電力はグループのいろいろなオブジェクトに、および／または、それを通して、無線伝送されてもよい。例示的な実施形態において、いくつかの車両があるエリアに駐車されて、車両のいくつかだけは直接にソース共振器から無線電力を受け取る位置にあるかもしれない。そのような実施形態において、特定の車両は、直接にソースから無線電力を受け取る立場で駐車されない車両に、無線電力の一部を再伝送および／または再実行してもよい。実施形態において、ソースを充電した車両によって供給される電力は、携帯電話、コンピュータ、ディスプレイ、ナビゲーションデバイス、通信デバイス等のデバイスに電力供給するために、車両内部に電力を伝送する中継器を利用してもよい。いくつかの実施例では、無線電力源の上に駐車される車両は、受け取る電力量と他の近くの車両に再伝送または再実行する電力量の比率を変えてもよい。実施形態において、無線電力は、デイジーチェーンのように、１つのソースからデバイス等に続くデバイスへ伝送されてもよい。実施形態において、特定のデバイスは、どれくらいの電力を受け取り、いくらをパスするかを自己決定できてもよい。実施形態において、いろいろなデバイスおよび／または中継器の間の電力分布は、マスターノード（master node）または集中化したコントローラで制御されてもよい。
【０２０２】
いくつかの中継器共振器は、一つ以上のソース共振器に近接して置かれてもよい。ソースからのエネルギーは、ソースから中継器へ、中継器から他の中継器に、そして、さらに他の中継器などに伝送されてもよい。したがって、エネルギーは、外部エネルギーソースへの物理的または有線のアクセスを必要とする唯一のコンポーネントである小さなサイズのソースを使って比較的大きなエリアに無線で伝えられ得る。
【０２０３】
実施形態において、複数の中継器共振器と少なくとも１つのソースとを使っているエリアの上のエネルギー分布は、取り付け、環境設定、制御、効率、適応性、コスト等の容易さを含む多くの考えられる利点を有する。たとえば、複数の中継器共振器を使うことは、中継器間またはソースと中継器との間の接続または配線を必要とすることなく、少しの増加で中継器共振器にエリアがおおわれるので、より容易な取り付けを可能にする。同様に、不規則な形でのエリアの構成と有効範囲を許容するならば、複数のより小さな中継器コイルによって配置のより大きな柔軟性が得られる。さらにまた、中継器共振器は、エリアにおける磁界分布を変えるために、簡単に移動または再配置され得る。いくつかの実施形態において、ソース共振器に対して中継器共振器を調整、離調できるようにし、システムの物理的な可動コンポーネントなしで中継器によってカバーされるエリア内でエネルギー伝送または磁界分布の動的な再構成を可能にするように、中継器とソースは調整できるか、調節可能であってもよい。
【０２０４】
たとえば、１つの実施形態において、中継器共振器と無線エネルギーソースは、床に取り込まれるか、組み込まれてもよい。実施形態において、共振器は、無線電力をエリア、部屋、特定の場所、複数の場所等へ供給するために、カーペットタイルのような床またはフローリング製品に組み込まれてもよい。中継器共振器、ソース共振器またはデバイス共振器は床に組み込まれて、ソースからエネルギーを床のエリアにわたって伝送する一連の中継器共振器を通して、一つ以上のソースから床にある一つ以上のデバイスへ、無線電力を分配してもよい。
【０２０５】
この技術、システムデザインおよび方法は、カーペット、陶製タイル、木板、木のパネルなどを含む多くの床タイプ、形状および材料に適用され得ることが理解されよう。当業者であれば、各種の材料について、共振器を床材に組み込むか、取り付けるのに異なる技術が用いられ得ることを認識するであろう。たとえば、陶製タイルでは、タイルへの組み込みに泥水式材料、エポキシ、石膏等を必要とする一方で、カーペットタイルでは、共振器がちりばめられるか、下面の上に接着されてもよい。いくつかの実施形態において、共振器は床材に組み込まれずに、床の下に、または、床の上に置かれてもよい。共振器は、たとえば、床の下に置かれる材料を詰める際に事前にパッケージされていてもよい。いくつかの実施形態において、一連の、アレイの、またはパターンを有する共振器（ソース、デバイスおよび中継器共振器を含み得る）は、あるサイズに切られる、または整えられる大きな材料または床に組み込まれてもよい。より大きな材料は、切られたピースの動作を破壊したり、損なったりすることなく、個々の共振器の間で整えられるかもしれない。
【０２０６】
ここで、個々のカーペットタイルを含む無線床の実施形態の例に戻るが、個々の床タイルは、タイルに、またはタイルの下に磁気共振器を組み込むか、挿入することによって可能になる無線電力である。実施形態において、共振器は、１０ＫＨｚから１００ＭＨｚの範囲の特定の共振周波数を提供する容量性素子に結合される、リッツ線のような良好な導体の１つまたは複数のループを備えてもよい。実施形態において、共振器は１００より大きい品質係数（Ｑ）の高Ｑ共振器であってもよい。当業者であれば、ここで記載される平面共振器、容量的負荷ループ共振器、印刷された導体ループ等といったいろいろな設計、形状、および方式の共振器が、床タイルまたは他の床材の中に組み込まれるか、組み合わされることを理解するであろう。
【０２０７】
無線電力対応床タイルの例示的な実施形態は、図３４（ａ）および図３４（ｂ）で表される。床タイル１２９０２は、タイルの境界線内に巻かれる電気導体１２９０４のループを含み得る。実施形態において、共振器の導体１２９０４は、キャパシタ、電力および制御回路、通信回路等のような追加的な電気または電子コンポーネント１２９０６に結合してもよい。他の実施形態において、タイルは、アレイまたはここに記述される意図的なパターン（例えば一連の複数サイズのコイル、可変なサイズのコイル等）に配置される複数の共振器と複数の導体のループを含んでもよい。
【０２０８】
実施形態において、タイルに組み込まれるコイルと共振器は、磁気材料を含んでもよい。磁気材料は、平面共振器構造を造るのに用いられるかもしれない。実施形態において、磁気材料は、また、床の下または床の周囲にある損失性物体から共振器のコイルの遮蔽のために使われてもよい。ここに記載されるように、いくつかの実施形態において、この構造は、磁気材料の遮蔽能力を増やすために、磁気材料の下に良好な電気導体の層または板を更に含んでもよい。
【０２０９】
共振器を備えるタイルは、コイルまたは共振器構造に結合する制御回路、通信回路、検出回路等に応じて、いろいろな機能と能力を有してもよい。無線電力対応床の実施形態において、システムは能力が異なる、複数の種類の無線対応タイルを含んでもよい。ある種類の床タイルは、磁気共振器だけを含み、いかなる直接の、もしくは有線の電力源、または有線の電力排出なしで、一つの共振器からもう一つの共振器へ電力を無線で伝送する固定的に調整された中継器共振器として機能してもよい。
【０２１０】
もう一種類の床タイルは、たとえば、共振器のキャパシタンス、インダクタンス等を調節することによって、共振器の共振周波数を動的に変えるか、調節する制御電子機器に結合する共振器を備えてもよい。他の通信対応タイルと情報を交換できるように、タイルは帯域内または帯域外の通信能力を更に含んでもよい。そして、タイルは、通信路からの受信信号に応じて、共振周波数のような動作パラメータを調節可能であってもよい。
【０２１１】
別のタイプの床タイルは、温度センサ、圧力センサ、誘導センサ、磁気センサ等を含む組み込まれたセンサに結合する共振器を含んでもよい。共振器で捕えられるいくつかまたはすべての電力は、無線でセンサを動かすのに使用され、共振器はデバイスとして、または、部分的に中継器として機能してもよい。
【０２１２】
さらに別の種類の無線電力対応床タイルは、共振器のドライブと無線電力源のような機能のために、増幅器と有線の電力接続を含む電力および制御回路を有する共振器を備えてもよい。タイル各々の特徴、機能、能力は、特定のデザイン制約を満たすために選ばれるかもしれず、共振器、電力および制御回路、増幅器、センサ、通信能力等の多くの異なる組合せを特徴とするかもしれない。
【０２１３】
図３５は、共振器タイルを備えるコンポーネントのブロック図である。タイルにおいて、共振器１３００２は、電力を受け取ってデバイスまたはオプションのセンサ１３００４に電力供給するために、電力および制御回路１３００６に任意に結合してもよい。さらなるオプションの通信回路１３００８は、電力および制御回路に接続されて、受信信号に基づいて共振器のパラメータを制御してもよい。
【０２１４】
異なる特徴と能力を有するタイルと共振器は、いろいろな特徴と能力の無線エネルギー伝送システムを造るのに用いられてもよい。システムの一つの実施例では、ソースと固定的に調整された中継器共振器タイルだけを含んでもよい。もう一つのシステムは、通信能力を有する、固定的な共振器タイルと調整可能な共振器タイルとを混合して含んでもよい。異なる種類の床タイルで実現されるシステム機能の違いのいくつかを例示するため、無線床システムの実施例について説明する。
【０２１５】
無線床システムの最初の例実施例は、ソースと固定的に調整された中継器共振器タイルだけを含む。この最初の実施形態において、複数の固定的に調整された共振器タイルは、ソースから電力をタイルの上、または、タイルの隣のエリアまたは場所へ伝送して、タイルの上に、タイルの下に、または、タイルの隣に置かれたデバイスに無線電力を供給するために、床に配置されてもよい。中継器共振器は、ソースの周波数に近い一定の周波数に合わせられて固定されてもよい。最初の例示的な実施形態の構成は、図３６に示される。タイル１３１０２は、タイル１３１１０に組み込まれるか、壁１３１０６に取り付けられて電力源に配線される（１３１１２）少なくとも一つのソース共振器を含んでアレイに配置される。いくつかの中継器タイルは、ソース共振器の隣に置かれてもよく、一つ以上のさらなる中継器共振器を通してソースから所望の場所へ電力を伝送するために配置されてもよい。
【０２１６】
組み込まれるか、自身のデバイス共振器に接続されたデバイス、およびタイルの上または近くに置かれるデバイス電力および制御装置に電力を供給するのに用いられる中継器共振器を有するタイルを使うことで、エネルギーは、ソース共振器からさらに離れている他のタイルと共振器へ伝送され得る。たとえば、ソース共振器１３１０６からの電力は、内部のタイル１３１２２とソース１３１０６の間にある複数の中継器共振器１３１１４、１３１１６、１３１１８、１３１２０を通って、ソース１３１０６から内部のエリアまたは内部のタイル１３１２２へ無線で伝送されてもよい。そして、内部のタイル１３１２２は、ランプ１３１０８のベースに組み入れられた共振器のようなデバイスに電力を伝送してもよい。床の上のデバイスをエリア内で自由に移動可能にするように、階の全てのエリアまで無線エネルギー伝送を拡張するために中継器共振器を有するタイルが置かれてもよい。たとえば、さらなる中継器共振器タイル１３１２４、１３１２６、１３１２８は、中継器タイルを通してソースからエネルギーを受け取るために、ランプが置かれ得る確定した電力エリア（タイル１３１１４、１３１１６、１３１１８、１３１２０、１３１２２、１３１２４、１３１２６、１３１２８）をつくるために、ランプ１３１０８の周囲に置かれてもよい。電力が分布している確定したエリアは、少なくとも一つの他の中継器タイルまたはソースタイルの近くに、より多くの中継器タイルを追加することによって変わり得る。
必要に応じて、または、部屋の構成の変更として電力分布を変えるために、タイルはユーザによって移動可能または構成可能である。有線によるソースまたはエネルギーとの接続を必要とするいくつかのソース共振器を有するタイル以外は、各々のタイルは、完全に無線であって、無線電力の床システムを調節するためにユーザまたは消費者によって構成されるか、移動されてもよい。
【０２１７】
無線床システムの第２の実施例は、ソースと一つ以上の調整できる中継器共振器タイルを含んでもよい。実施形態において、タイルの各々またはいくつかの共振器は、共振器の動作パラメータの動的または定期的な調整を可能にする制御回路を含んでもよい。実施形態において、制御回路は、可変キャパシタ、またはキャパシタのバンクを調節することによって共振器の共振周波数を変えてもよい。
【０２１８】
電力伝送の最大効率を得るか、複数の無線電力対応タイルのシステムで電力伝送の特定の分布を得るために、各々の共振器の動作点を調節し、各々の共振器を異なる動作点に合わせる必要がある。たとえば、いくつかの状況またはアプリケーションでは、要求されるタイルのアレイの電力分布は、アレイの一端で高い電力が要求され他端で低い電力が要求されるために不均一であり得る。例えば、無線エネルギーを必要な分布にするために、システムの共振周波数から共振器の振動数をわずかに離調することによって、そのような分布が得られるかもしれない。
【０２１９】
たとえば、図３６で表されるタイルの配列を考慮すると、一つのソース共振器１３１０６と３６枚の調整できる中継器共振器タイルとを備えている。電力を必要とする１台のデバイス（例えばランプ１３１０８）が床に置かれているならば、エネルギーが床タイルアレイの１つのセクションだけで必要であるとき、あらゆるタイルにエネルギーを分配することは効率が悪くなり得る。実施形態において、個々のタイルの調整は、アレイでのエネルギー伝送分布を変えるのに用いられてもよい。一つのランプデバイス１３１０８の例では、タイル終わりへのソース共振器１３１０６からデバイスに近いタイル１３１２２まで直接的な経路にない中継器タイルは、ソースの周波数から、完全に、または部分的に離調されてもよい。使われない中継器の離調は、床のエリアの磁場の分布を変える振動磁場による共振器の相互作用を減らす。調整できる中継器タイルによって、第２のデバイスがタイルのアレイの範囲内で置かれてもよく、または、ランプデバイス１３１０８は現在の場所１３１２２から別のタイル（例えば１３１３０）まで動かされて、ソース１３１０６から新しい場所１３１３０への経路にある再調整タイルによって、タイルにおけるエリアの磁界分布が変わってもよい。
【０２２０】
実施形態において、電力の分布と共振器の調整に役立つように、共振器は通信能力を含んでもよい。各々の共振器は、隣接する一つ以上のタイルと、または特定のデバイスの配置のために適切な磁界分布を確立するためのどのタイルと無線で通信できてもよい。
【０２２１】
実施形態において、個々の共振器の動作点の調整または調節は、タイルによっておおわれるエリアの上に所望の磁界分布を発生させるために、１つのソースまたは１つの「命令タイル」からの集中化した方法で実行されてもよい。そのような構成において、中心タイルは、無線通信または各々のタイルの帯域内での通信を通して、各々の共振器および各々のタイルの電力需要と状態を集めて、望ましい電力分布のための各々の共振器の最適な動作点またはシステムの動作点を計算してもよい。さらなる無線通信路によって、または、電力伝送のために使われる磁場を変調することによって、情報は無線で個々のタイルに伝えられてもよい。電力は、通信システムで使われるものに類似したプロトコルを使って、分配されてもよいし、メーターで測られてもよい。たとえば、他ができるだけの電力を得る一方で、保証された電力を得られるデバイスがあってもよい。電力は、貪欲算法（greedy algorithm）によって、またはトークンを用いるシステムで分配されてもよい。情報ネットワーク資源を共有するのに適合した多くのプロトコルは、無線電力資源を共有するのに適合し得る。
【０２２２】
他の実施形態において、個々の共振器の動作点の調整または調節は、非集中化した方法（分散する方法）で実行されてもよい。近接するタイルの共振器の電力需要または状態に基づいて、各々のタイルは単独でその共振器の動作点を調節してもよい。
【０２２３】
集中化の配置でも、非集中化の配置でも、集中と分散ルーティングプロトコルに基づく多くのネットワークが使われ得る。たとえば、各々のタイルはネットワークにおけるノードとみなされ、一つ以上のデバイスへの電力供給を達成するために、最も短い経路、最も早い経路、冗長な経路等のアルゴリズムが、共振器の最適な調節を決定するのに用いられてもよい。
【０２２４】
実施形態において、損失性物体のまわりで中継器共振器を経由する電力のルートを決めるシステムの共振器を調整および離調するのに、いろいろな集中と分散ルーティングアルゴリズムが使われてもよい。損失性材料を含む物体がタイルのいくつかに置かれるならば、その物体はタイルから電力を必要以上に得るかもしれず、その物体が置かれたタイルがソースと目的とするタイルの間の経路にあるならばエネルギー伝送を中断させるかもしれない。実施形態において、中継器タイルは、タイルの上にあるかもしれない損失性物体を回避するために、選択的に調整されてもよい。電力のルートが損失性物体を避けて決められるように中継器共振器を調整するのに、ルーティングプロトコルは使用されるかもしれない。
【０２２５】
実施形態において、タイルはセンサを含んでもよい。タイルは、タイル上で物体、エネルギーキャプチャデバイス（energy capture devices）、人１３１３４等を検出するために、タイルに組み入れられる共振器でとらえられる磁気エネルギーから無線で電力供給されるセンサを含んでもよい。タイルは、容量性、誘電性、温度、歪み、重量センサ等を含んでもよい。センサからの情報は、電力をデバイスに供給するために最良のまたは満足な磁場分布を計算、または決定するのに使用されてもよく、適切な共振器を離調するのに使われてもよい。実施形態において、タイルは、金属物体を検出するためにセンサを備えてもよい。実施形態において、損失性物体の存在は、共振器のパラメータを監視することによって検出できるかもしれない。損失性物体は、共振周波数、インダクタンス等のような共振器のパラメータに影響を及ぼすかもしれず、金属物体を検出するのに用いられてもよい。
【０２２６】
実施形態において、無線電力床システムは、タイルの一部であったり、壁に置かれたり、または家具に備えられる複数のソースおよびソース共振器であって、床の共振器と結合するものを有してもよい。複数のソースおよびソース共振器を備える実施形態において、ソースの位置は、床の電力分布を調節するか、変えるのに用いられてもよい。たとえば、部屋の一方には、より多くの電力を必要とするデバイスがあり、より多くのソースを近くに必要とするかもしれない。実施形態において、各々のソースの出力電力（磁場の大きさ）、各々のソースの位相（振動磁場の相対的な位相）等を調節することによって、複数のタイルを備える床の電力分布が調節されてもよい。
【０２２７】
実施形態において、共振器タイルは、中継器共振器を通じて複数のソースからデバイスへエネルギーを伝送するように構成されてもよい。共振器は、複数のソース共振器から複数のデバイスまたはタイルまでエネルギーを伝送するルートを決めるために、調整または離調されてもよい。
【０２２８】
複数のソースを備える実施形態において、異なるソースと、異なるソースをドライブするおそらく異なる増幅器とが、周波数および／または位相において同期していることを保証することは望ましい場合がある。わずかに異なる周波数および／または位相で動作しているソースは、振幅と空間分布を、動的に変えることで磁場を発生させてもよい（振動しているソースの間のビーティング効果（beating effects）のため）。実施形態において、複数のソース共振器は、ソースまたは外部制御装置によって発生するかもしれない、有線または無線の同期信号と同期してもよい。いくつかの実施形態において、一つのソース共振器は、他の共振器に周波数と位相を規定するマスタソース共振器として設計されてもよい。他のソース共振器が、マスタソースが発生させた磁場の周波数と位相を検出して、マスタソースの信号にそれらの信号を同期させる間、マスタ共振器は名目の周波数で動作してもよい。
【０２２９】
実施形態において、床から垂直方向の無線エネルギー伝送の範囲を広げる家具とテーブルにさらなる中継器共振器を組み込むことによって、床タイルからの無線電力は、テーブル面、棚、家具等へ伝送されてもよい。たとえば、無線電力対応床のいくつかの実施形態において、タイルによって供給される電力が、無線電力対応タイルより２または３フィート上のテーブル面上に置かれた電話または電子デバイスに直接充電するのに、十分でない場合があり得る。テーブルの表面の電子デバイスの小さな共振器とタイルの共振器の間の結合は、大きな中継器共振器を、例えばテーブルの底面といったテーブルの表面の近くに置くことによって、改善されるかもしれない。テーブルの比較的大きな中継器共振器はタイルの共振器と良好に結合し、近接していることからテーブルの表面の電子デバイスの共振器と良好に結合し、その結果として、タイルの共振器とテーブルの上のデバイスの共振器の間で無線電力伝送を改善し得る。
【０２３０】
当業者であれば、記述される異なる実施形態の特徴と能力は、再編成または他の構成に結合され得ることを認識するであろう。システムは、多くの共振器タイプ、ソース、デバイスを含み、床、天井、壁、机等に配置されてもよい。床タイルに関して記述されるシステムは、たとえば壁へと展開され、電力を受けていろいろなアプリケーションと構成を可能にするために、対応するデバイスが取り付けるか置かれる壁または天井で無線電力を供給してもよい。システム技術は、テーブル上、表面、棚、本体、車両、機械、衣類、家具等に広く分布する複数の共振器に適用されてもよい。例示的な実施形態では、この開示の教えに基づいて異なる構成へアレンジされ得るタイルまたは分離した中継器共振器を記述したが、複数の中継器またはソース共振器が、物理的に分離したタイルまたはシートに置かれないかもしれないことは、当業者にとって明らかである。複数の中継器共振器、ソース、デバイスとそれらに関連する電力および制御回路は、１枚のタイル、シート、サブストレート等に取り付けられ、印刷されて、またはエッチングされてもよい。たとえば、図３７に表されるように、中継器共振器１３２０４のアレイは１枚のシングルのシーツ１３２０２に印刷され、取り付けられ、または埋め込まれてもよい。シングルのシーツ１３２０２は、上述のタイルとして、同じように展開されてもよい。共振器のシートは、シートまたはシートの一部を通して無線エネルギーを分配するために、ソース共振器の近くに、上に、または下に置かれてもよい。共振器のシートは、たとえば例えば図３７に示される線１３２０６に沿って異なる共振器の間でシートが切られるか、整えられるかもしれないという点で、サイズが可変な中継器共振器として使われ得る。
【０２３１】
実施形態において、中継器共振器のシートは机上の環境で使用され得る。中継器共振器のシートは、机の天板もしくは机の一部または内部の引き出し等にフィットするようなサイズに切られてもよい。ソース共振器は中継器共振器のシートの隣に、または上に置かれてもよく、コンピュータ、コンピュータ周辺機器、携帯用の電子機器、電話等のようなデバイスは、中継器を通して充電または電力供給されてもよい。
【０２３２】
実施形態において、床タイルまたはカーペットに埋め込まれる共振器は、輻射の床暖房のためにエネルギーをとらえるのに使用されてもよい。各々のタイルの共振器は、整流されていないＡＣを通して非常に高い抵抗発熱体に、特定の床温度を保つためのローカルの熱センサとともに直接接続されてもよい。部屋を暖めるか、タイルを特定の温度に保つために、各々のタイルは、発熱要素で数ワットの電力を消費できてもよい。
【０２３３】
減少した場を有する無線エネルギー伝送
【０２３４】
いくつかの無線電力伝送アプリケーションでは、システムから離れて、システムよりかなり大きい距離で、そして、時々システムから数センチメートルの範囲内の距離で少し離れて、電磁場を最小にするか、減らすことは、有益である場合がある。最小にされるか、減らされる必要がある場は、遠距離場（far-field）または近接場（near-field）でもあり得る（無線電力伝送システムと関心のある点との間の距離より波長が非常に大きいならば）。システムのパフォーマンスの実質的な減少なく、および／または外部のシステムの幾可学的形状への大きな変化なく、上記のことを達成することが望まれる。システムの近くの場（その特性が電力伝送システムのパフォーマンスを決定する）とは、システムから遠い場がかなり異なるという事実から、上記のことを達成する機会が生じる。それによって、大部分は、かなり独立してこれらの２つの場のセットを調整することができ、電力伝送のパフォーマンス（効率、伝送される電力量）を大幅に減らすことなく、システムから遠い場が弱い、または減少したことを確実とする。システムから遠くにおいて、場を分解し多重極に拡大することができる。この開示において、拡大による最も低い（双極子）コンポーネントがゼロまたはほぼゼロであるように、どのようにシステムを設計するかについて示す。この方法では、高位のコンポーネントが、双極子コンポーネントよりもかなり早くに衰える（距離の関数として）ので、システムから遠い場は弱くなる。例示的な無線電力伝送システムでは、このことは、大きさの順によってシステムから遠く離れた関連性のある場の縮小にしばしばつながる。
【０２３５】
ある実施態様において、デバイスとソースはともに、四重極磁気共振器であるように設計されていることがあり得る。四重極デザインで、システムから遠い場は、同じく双極子コンポーネントを持たない。実施形態において、四重極磁気共振器は、電流がループの各々のループまたは連続したループを反対方向に流れるように構成される二つ以上の導体のループを備えていてもよい。実施形態において、導体のループは、同一平面上であってもよい。他の実施形態では、ループは、ループの軸が実質的に平行であるように方向づけられてもよい。四重極磁気共振器の一つの例は、図３８に示される。この図では、共振器の導体は、２つのループを同一平面上に形成するためにねじられている。導体が電流でエネルギーを与えられるとき、電流はループの各々で、一方で時計回りに、他方で反時計回りに、実質的に反対方向に流れる。２つのループの各々は単独で磁気双極子を有するが、それらの双極子が同じであって電流が反対方向にそれらを循環するため、物体から遠い双極子コンポーネントは相殺されて、四重極場だけがあとに残される。
【０２３６】
四重極モーメントだけがある共振器のもう一つの例は、図３９に示される。この図では、共振器の導体は、同一平面上かつ同軸の２つのループを形成するためにねじられている。図の各々の矢印は、共振器の対応する部分で、電流の流れる方向を表す。図３８の例のように、導体が電流でエネルギーを与えられるとき、電流はループの各々で実質的に反対方向へ流れる。
【０２３７】
実施形態において、図３８および図３９に示される導体のループの各々は、導体の複数のループを備えるものであってもよい。一つの導体は、ループまたはターンの各々で同じ方向に電流が流れるような複数のループまたはターンを形成するように、最初に形づくられてもよい。それから、一つの導体は、第１の（最初の）セットのループまたはターンに対しては反対方向であるが、第２の（追加の）セットのループまたはターンの各々では同じ方向に電流が流れるような第２の（追加の）セットを作るように、形づくられてもよい。
【０２３８】
留意事項として、図３９の実施形態において、ループが同一のサイズでないことから、釣り合いをとるために内部のループは外部のループより多くのワイヤの巻数を有することを確認しなければならない。およそ、ループの領域の比率は、ワイヤの巻数の比率の逆数と対応すべきである。
【０２３９】
図４０に図示されるように、双極子モーメントの相殺のもう一つの実施形態は、更なるソースまたはアクティブ共振器で実現可能である。実施形態において、ソース共振器（ソース１）とデバイス共振器（デバイス１）に加えて、その主要な目的がシステムから遠く離れた双極子モーメントを相殺することである、さらなる共振器（ソースＲ）が使われる。実施形態において、さらなる共振器（ソースＲ）の電流は、厳密に、または実質的に、ソース共振器（ソース１）と位相が異なるように調整される。実施形態において、最もよく相殺するために、ソース１とソースＲが同一または同一に近いサイズで、等しい数のワイヤを有し、それらの双極子の方向が実質的に同じであって、それらが実質的に同じ量の電流を循環させることを、確かなものとすることが好ましい。
【０２４０】
図４０に示されるデバイスが小さいため、場へのその寄与は小さくて、いくつかのアプリケーションにおいては無視されるかもしれない。それでも、いくつかのアプリケーションでは、デバイスへの寄与を簡単に考慮することが可能である。デバイス（複素ベクトルとして）ｐＤの双極子モーメントをソース１（複素ベクトルとして）ｐＳ１の双極子モーメントに加える：それらは、多くの場合、互いにπ／２だけ位相が異なる。時々、これらのベクトルは互いに平行である（ソース１とデバイス１が平行であるならば）、しかし、時々、これらは平行ではない：そのような理由により、このことを考慮したベクトルとして加えることは重要である。次に、ソースＲが複素の双極子モーメントｐＳＲ＝−（ｐＳ１＋ｐＤ）を持つことを確実にする。このことは、双極子場が図４０に示される全てのシステムから遠く離れて相殺されることを確実にする。このような事例を確実にするために、人（最も一般的に）は、ソースＲの方向（ベクトルが平行であることを確認するために）、電流の位相（正確に他の双極子を相殺するように）およびソースＲを流れる電流（ベクトルの大きさが同じであることを確認するために）を調整しなければならない。ソースＲがソース１および／またはデバイス１より実質的に大きいならば、ソースＲの非常に弱い電流さえ十分であることに注意を要する：システムに近い場への影響（およびソースＲのトータルの電力）は非常に小さいが、それでも、システムから遠い場への影響は大きくなり得る。無線電力システムとソースＲの中心が互いにあまり遠くないならば、この構成はよりうまくいく。ソースＲは、かなり任意に配置できる：実際、無線電力伝送システムを囲むようにさえ配置できる。
【０２４１】
さらにもう一つの実施形態において、２つの（独立した）無線電力伝送システムであって互いに十分に近接するものを同時に動作させることが確実にできるならば、双極子コンポーネントは相殺されるかもしれない。２つのシステムの双極子モーメントベクトルが方向および大きさにおいて同じであって、πだけ位相を異ならせてシステムを動作させることが確実にできるならば、システムから遠くにおいて双極子コンポーネントは相殺される。システムの固有の詳細が実質的に異なることがありえる（異なるサイズ、電力等）ことに注意すべきである：場の双極子コンポーネントだけは、実質的に類似していなければならない。システムの可能な構成は、図４１に示される。図は２つの電力伝送システムを示し、一方はソース１とデバイス１を含み、他方はソース２とデバイス２を含む。ソース１はエネルギーをデバイス１へ伝送し、ソース２はエネルギーをデバイス２へ伝送する。２つのソースおよびデバイスは、同じ物体へ電力を伝送することができる（例えば、これらのシステムの両方とも同じ車に組み込まれて、その特定の一つの車に充電する）、または、それらは、完全に独立したシステムでありえる（すなわち２台の別々の車に充電する）。たとえば、ガレージに２Ｎ台の車（ここで、Ｎは整数である）がある場合、すべての車の双極子コンポーネントは、ガレージから遠く離れて、対となるものを相殺することが確実にできる。ガレージに奇数の車（例えば３台の車）がある場合、２／３だけ互いに位相が異なり、３台の車の双極子モーメントが加えられるときにそれらは全体として相殺する： 
【数１１】
2015508987.tif 000013
システムの双極子モーメントベクトルが同じでないならば、前の段落で検討したのと同様に、システムから遠くの複素ベクトルの合計が相殺することを確認しなければならない。
【０２４２】
図４１で表されるシステムの実施例において、ソースコイルの各々は、お互いに位相を異ならせて動作している別々の増幅器によってドライブされたり、制御されたりしてもよい。実施形態において、デバイス共振器の各々は、別々の整流器と制御回路に接続していてもよい。他の実施形態において、二つ以上のソースコイルは、順番に同じアンプでドライブされてもよい。同様に、いくつかの実施形態において、２つのデバイス共振器は、同じ整流器と制御回路に接続されてもよい。
【０２４３】
もう一つの実施形態において、図４２で表されるように、四重極磁気共振器は、共振器の双極子モーメントに対して実質的に垂直に置かれる導電平面を用いて実施されるかもしれない。双極子の下に導電平面を置くならば、平面の下でイメージ双極子（image dipole）が生じる。オリジナルの双極子が平面に対して垂直であるならば、イメージ双極子もまた垂直であるが正反対になる。それゆえに、物体からほど遠く、場は四重極のように見える。実際、地球自体が部分的に導電性であるので、それは導電平面と同じ効果をしばしば提供し得る。
【０２４４】
もう一つの実施形態では、図４３のように、一つ以上の中継器共振器を加えることによって、システムから遠い双極子項は減らされるかもしれない。いくつかの無線電力伝送システムでは、一つの中継器は、ソースに対してπ／２だけ位相が異なり、デバイスに対して−π／２だけ位相が異なる。このことは、ソースとデバイスがπだけ位相が異なり、それらの場がシステムから遠く離れて双極子項をキャンセルする傾向があることを意味する。中継器の双極子モーメントがソースまたはデバイスより実質的に小さいならば、システムから遠い双極子項は小さくなる。実施形態において、二つ以上の中継器は、ソースとデバイスの間に置かれることがある。実施形態において、ソースとデバイスの間に置かれる偶数個の中継器は、遠距離場放射の相殺を改善し得る。位相とシステムの幾可学的配置を調整することによって、潜在的に、さらにシステムから遠く離れて双極子項を減らすことさえできる：システムが３つの共振器（通常２つの代わりに）を含むという事実は、システムから遠く離れて、双極子の相殺の更なる機会を提供する。
【０２４５】
遠距離場双極子放射を減らすもう一つの方法は、無線エネルギー伝送システムの磁気双極子に実質的に反対する磁気双極モーメントをつくる方向に電流が導体を流れるように、一つ以上の導体を構成することが必要である。実施形態において、導体は無線エネルギー伝送システムの近接場領域から遠位にある。このことは、導体によって近接場共振エネルギー伝送を実質的に減らすことなく遠距離場放射を減らすことを可能にする。
【０２４６】
図４４は、共振器から磁場の周辺部がループを流れる振動電流を誘導するように、導電ループが構成される実施形態を表す。誘導された電流は、共振器システムの磁気双極子に反対する磁気双極子Ｍを発生する。十字が書かれた円は磁力線がページに流れ込んでいることを表し、一方、同心の点が書かれた円は磁力線がページから流れ出ていることを表す。したがって、誘導された双極子による共振器システムの双極子の部分的な相殺によって、遠距離場双極子が減らされる。電流が導電ループにおいて直接引き起こされる実施形態を、図４５は表す。ループの電流は、共振器システムの双極子からの遠距離場放射を実質的に相殺することができる。磁気双極子大きさは、３つの要素の結果として決まる：電流、ループの巻数、およびループの実効面積。実施形態において、外側のループの実効面積は、共振器システムの実効面積より実質的に大きい。このことによって、共振器システムで流れている電流より実質的に少ない外側のループの励起電流を用いることを可能にする。
【０２４７】
図４６は、二つ以上の導体が、頂部が負荷容量性である短いモノポールアンテナとして構成される実施形態を表す。個々の導体は、いわゆるトップハットアンテナ（top-hat antenna）と類似している。頂部にある十分な容量性負荷によって、逆の位相の電流は、共振器システムの磁気双極子場によって、２つの導体で誘導され得る。これらの誘導された電流は、共振器システムの双極子から遠距離場放射を部分的に相殺することができる双極子場をつくる。反対方向の電流が２つの導体で直接引き起こされる実施形態を、図４７は表す。これらの反対の電流は、共振器からの遠距離場放射を実質的に相殺することができる双極子場をつくることができる。
【０２４８】
いくつかの実施例では、二つ以上の共振器は、より大きな導電性の物体が共振器の上下に位置する構成で、無線エネルギーを交換する。図４８で示されるように、二つ以上の導体は、これらの導体が電気的に１つの物体に接続され、かつ第２の物体に容量結合される方法で、共振器の外に配置されてもよい。実施形態において、頂部に導電性のプレートを備える固いワイヤは、第２の物体の容量結合を強化する。実施形態において、二つ以上のトップハットアンテナは、第２の物体に容量的に結合する。実施形態において、ブラシ、位置合せ補助器具または導電性の柱は、容量結合性の導体として機能するように構成可能である。外部の導体で誘導される電流は、共振器システムの遠距離場双極子放射を部分的に相殺し得る。図４９は、反対符号の電流が２つのアンテナで引き起こされる実施形態を表す。これらの反対の電流は、共振器からの遠距離場放射を実質的に相殺することができる双極子場をつくることが可能である。
【０２４９】
上述の実施形態において、目的は無線電力のシステムから遠く離れた場への双極子の寄与を除くまたは減らすことである。どれだけ双極子項をうまく抑えられるかを立証するための自然の尺度（性能指数）が存在する。磁気共振器は特徴領域Ａを有する。一般的に、そのような共振器は、共振器から遠くにＩＡと比例するような磁気双極モーメントを有する。ここで、Ｉは共振器を流れる電流である。システムから遠く離れて場を測定して、場の磁気双極モーメントがＩＡよりずっと小さいと結論づけるならば、我々が提案する仕組みがうまく実行されたことを意味する。
【０２５０】
記述された技術と実施形態が、多くの異なる共振器タイプと構成で使われ得ることが理解されるであろう。多くの図と例示的な実施形態が容量性負荷ループ共振器を用いて記述されて、示されたが、他の共振器タイプが実施形態においても使われるかもしれない。たとえば、図２Ｄまたは図２Ｅに示される磁気材料のブロックを含む平面共振器が使われてもよい。この技術は、固体の導線、リッツ線またはプリント回路基板にエッチングされる印刷による導体の線を含む共振器コイルを用いて使われるかもしれない。
【０２５１】
本発明を特定の好適な実施形態に関連して説明してきたが、他の実施形態も当業者に理解され、本開示の範囲内に含まれることが意図される。本開示の範囲は、法律によって許容され得る最も広い意味で解釈されるべきである。無線電力伝送に関する、例えば、設計、方法、コンポーネントの構成等は、それらに関する様々な具体的な応用および実例とともに上記に記載されたものである。当業者であれば、設計、コンポーネント、構成、または
本明細書に示された構成が、組み合わされて、または交換されて使用し得ること、および上記の記載が交換可能性や構成の組合せを本明細書に記載に限定するものでないことを理解するであろう。
【０２５２】
本明細書中に記載の全ての文献は参照することによりそれらの全てがあたかも本明細書中に組み込まれるものとする。
【図１】
2015508987.tif 000014
【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】
2015508987.tif 000020
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2015508987.tif 000023
【図５Ｂ】
2015508987.tif 000024
【図６】
2015508987.tif 000025
【図７】
2015508987.tif 000026
【図８】
2015508987.tif 000027
【図９】
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【図１０】
2015508987.tif 000029
【図１１Ａ】
2015508987.tif 000030
【図１１Ｂ】
2015508987.tif 000031
【図１１Ｃ】
2015508987.tif 000032
【図１２】
2015508987.tif 000033
【図１３】
2015508987.tif 000034
【図１４】
2015508987.tif 000035
【図１５】
2015508987.tif 000036
【図１６】
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【図１７】
2015508987.tif 000038
【図１８】
2015508987.tif 000039
【図１９】
2015508987.tif 000040
【図２０】
2015508987.tif 000041
【図２１（ａ）】
2015508987.tif 000042
【図２１（ｂ）】
2015508987.tif 000043
【図２１（ｃ）】
2015508987.tif 000044
【図２２（ａ）】
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【図２２（ｂ）】
2015508987.tif 000046
【図２２（ｃ）】
2015508987.tif 000047
【図２２（ｄ）】
2015508987.tif 000048
【図２３（ａ）】
2015508987.tif 000049
【図２３（ｂ）】
2015508987.tif 000050
【図２４（ａ）】
2015508987.tif 000051
【図２４（ｂ）】
2015508987.tif 000052
【図２５（ａ）】
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【図２５（ｂ）】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９（ａ）】
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【図２９（ｂ）】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３（ａ）】
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【図３３（ｂ）】
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【図３４ａ】
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【図３４ｂ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【国際調査報告】
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