JP2012518382A - 損失性環境における無線エネルギー伝達 - Google Patents
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Abstract
電源に結合されて振動磁界を発生するように構成された容量性負荷の導電性ループを含む少なくとも１つの供給源磁気共振器と、この供給源共振器から離れており、振動磁界を電気的エネルギーへ変換するように構成された容量性負荷の導電性ループを含む少なくとも１つのデバイス共振器と、を備え、少なくとも１つの共振器は、その共振器の周りに、その共振器を非損失性材料の層で取り巻く離間ゾーンを有する、電子装置のための改良された無線電力伝達システムが開示される。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、無線（ワイヤレス）電力伝送とも呼ばれる無線エネルギー伝達に係る。
関連出願に対する相互参照：
本出願は、各々参考としてここにそのまま援用する以下の米国特許出願の優先権を主張する。即ち、２００９年９月２５日に出願された米国特許出願第１２／５６７，７１６号、２００９年５月１５日に出願された米国特許出願第６１／１７８，５０８号、２００９年６月１日に出願された米国特許出願第６１／１８２，７６８号、２００９年３月２日に出願された米国特許出願第６１／１５６，７６４号、２００９年２月１３日に出願された米国特許出願第６１／１５２，３９０号、２００９年３月２６日に出願された米国特許出願第６１／１６３，６９５号、２００８年４月２４日に出願された米国特許出願第６１／１７２，６３３号、２００９年４月１４日に出願された米国特許出願第６１／１６９，２４０号、２００９年４月２９日に出願された米国特許出願第６１／１７３，７４７号、２００９年１２月１６日に出願された米国特許出願第１２／６３９，４８９号、及び２００９年１２月２８日に出願された米国特許出願第１２／６４７，７０５号である。
本出願は、各々参考としてここにそのまま援用する以下の米国特許出願の優先権を主張する。即ち、２００９年９月２５日に出願された米国特許出願第１２／５６７，７１６号、２００９年５月１５日に出願された米国特許出願第６１／１７８，５０８号、２００９年６月１日に出願された米国特許出願第６１／１８２，７６８号、２００９年３月２日に出願された米国特許出願第６１／１５６，７６４号、２００９年２月１３日に出願された米国特許出願第６１／１５２，３９０号、２００９年３月２６日に出願された米国特許出願第６１／１６３，６９５号、２００８年４月２４日に出願された米国特許出願第６１／１７２，６３３号、２００９年４月１４日に出願された米国特許出願第６１／１６９，２４０号、２００９年４月２９日に出願された米国特許出願第６１／１７３，７４７号、２００９年１２月１６日に出願された米国特許出願第１２／６３９，４８９号、及び２００９年１２月２８日に出願された米国特許出願第１２／６４７，７０５号である。
エネルギー又は電力は、様々な良く知られた放射技術または遠距離場技術、及び非放射技術または近接場技術を用いてワイヤレスで伝送され得る。例えば、無線および移動体通信システム、及び家庭用コンピュータネットワークで使用されるような低指向性アンテナを用いる放射型無線情報伝送は、無線エネルギー伝送と考えられ得る。しかしながら、このタイプの放射型伝送は非常に非効率的であり、その理由は、受信器が獲得するのは、供給される電力または放射される電力のわずかな部分、即ちその方向の一部であり、それらは部分的に重なっているからである。電力の大部分は、他の全方向に放散されて自由空間で失われる。係る非効率的な電力伝送は、データ送信に受け入れ可能であるが、電気装置の電力供給または充電のような仕事を行うために、有用な量の電気エネルギーを伝送するには実用的ではない。幾つかの放射型エネルギー伝送方法の伝送効率を改善するための１つの方法は、放射されたエネルギーを受信器の方に限定する及び優先的に向けるために指向性アンテナを使用することである。しかしながら、これらの方向を持った（有向）放射方法は、中断されない見通し線を必要とする場合があり、移動できる送信器および／または受信器の場合には潜在的に複雑なトラッキング（追跡）及びステアリング（操向）機構を必要とする場合がある。更に、係る方法は、適度な量から大きな量の電力が伝送されている際に、ビームを横切る又はビームと交差する物体または人々に危害を及ぼす可能性がある。誘導または従来の誘導と呼ばれることが多い、既知の非放射型または近接場無線エネルギー伝送方法は、電力を（意図的に）放射しないが、一次コイルを通過する振動電流を用いて、近接受信または二次コイルで電流を誘導する振動近傍磁界を生成する。従来の誘導方法は、適度な量から大量の電力の伝送を実証したが、非常に短い距離にわたるだけであり、一次電源ユニットと二次受信器ユニットとの間の非常に小さいオフセット量の許容範囲を有する。変圧器および近接充電器は、この既知の短距離の近接場エネルギー伝送方法を利用する装置の例である。
従って、中距離にわたって、又は中程度の位置合わせオフセット量で有用な量の電力を伝送することができる無線電力伝送方法が必要とされている。係る無線電力伝送方法は、従来の誘導方法で実現されたものと比べてより大きい距離にわたる、及びより大きい位置合わせオフセット量での有用なエネルギー伝送を可能にするべきであり、放射型送信方法に固有の制限および危険性なしで可能にするべきである。
本明細書において、中距離にわたって、及び中程度の位置合わせオフセット量で有用な量の電力を伝送することができる非放射型または近接場無線エネルギー伝送方法が開示される。本発明の技術は、長寿命振動性共振モードで結合された電磁共振器を使用して、電源からの電力を電力ドレインに伝送する。当該技術は一般的であり、ここに開示された具体例が電磁共振器に関係する場合でも、広範囲の共振器に適用され得る。共振器が設計される場合、電界によって蓄積されたエネルギーが主として構造体内に閉じ込められ、及び磁界により蓄積されたエネルギーが主として共振器の周囲の領域にあるようにされる。そして、エネルギー交換は共振近傍磁界により主として実現される。これらタイプの共振器は、磁気共振器と呼ばれ得る。共振器が設計される場合、磁界により蓄積されたエネルギーが主として構造体内に閉じ込められ、及び電界により蓄積されたエネルギーが主として共振器の周囲の領域にあるようにされる。そして、エネルギー交換は共振近傍電界により主として実現される。これらタイプの共振器は、電気共振器と呼ばれ得る。また、共振器のどちらかのタイプは、電磁共振器とも呼ばれ得る。共振器の双方のタイプがここに開示される。
開示される共振器の近接場に関して、全方向であるが変化しない（非損失性）特徴は、様々な電子デバイス（電子装置、電子機器）の充電、電力供給、又は同時の電力供給と充電に適した、中距離にわたる、広範囲の方向および共振器の方向にわたる、効率的な無線エネルギー伝送を可能にする。結果として、システムは、広範囲の様々な考えられる応用形態を有することができ、この場合、電源に接続された第１の共振器が１つの場所にあり、電気／電子デバイス、バッテリー、電力供給または充電回路などに潜在的に接続された第２の共振器は、第２の場所にあり、第１の共振器から第２共振器までの距離は、センチメートルからメートルのオーダーである。例えば、有線電気送電系統に接続された第１の共振器は、部屋の天井に配置され得るが、ロボット、車両、コンピュータ、通信装置、医療機器などのようなデバイスに接続された他の共振器は、部屋の中を動き回り、この場合、これらのデバイスは常に又は断続的に、供給源共振器からワイヤレスで電力を受け取っている。この一例から、ここに開示されたシステム及び方法が中距離にわたって無線電力を供給することができる多くの応用形態を考えることができ、係る応用形態には、家庭用電化製品、工業的応用形態、電力および照明のインフラ、運搬用車両、コンピュータゲーム、軍事的応用形態などが含まれる。
２つの電磁共振器間のエネルギー交換は、共振器が実質的に同じ周波数にチューニングされ、システムの損失が最小限である場合に、最適化され得る。無線エネルギー伝送システムは、共振器間の「結合時間」が共振器の「損失時間」より大幅に短いように設計され得る。従って、ここに述べるシステム及び方法は、低い固有損失率を有する高いＱファクタ（高Ｑ）の共振器を利用することができる。更に、ここに述べるシステム及び方法は、共振器の特性サイズより大幅に長く延在する近接場を有するサブ波長共振器を使用することができ、そのためエネルギーを交換する共振器の近接場は、中距離で部分的に重なる。これは、以前に実施されていなかった、且つ従来の誘導設計とは大幅に異なる動作の状況である。
ここに開示された高Ｑ磁気共振器の方式と既知の近距離または近接型誘導方式との違いを理解することは重要であり、即ちこれら既知の方式は従来、高Ｑ共振器を利用していない。結合モード理論（ＣＭＴ）（例えば、H.A. Haus著「Waves and Fields in Optoelectronics」、Prentice Hall、1984年を参照）を用いることにより、高Ｑ共振器の結合メカニズムが、中距離だけ離間された共振器間において、従来の誘導方式により可能にされたものよりも数桁大きい効率的な電力供給を可能にすることができることが示される。結合された高Ｑ共振器は、中距離にわたる効率的なエネルギー伝送を実証し、短距離エネルギー伝送の応用形態における効率性およびオフセット量の許容範囲を改善した。
ここに述べるシステム及び方法は、強く結合された高Ｑ共振器を介した近接場無線エネルギー伝送を提供し、安全に且つ従来の誘導技術を用いて達成されたものよりもはるかに長い距離にわたって、ピコワットからキロワットまでの電力レベルを伝送するための可能性を有する技術を提供することができる。効率的なエネルギー伝送は、強く結合された共振器の様々な一般的なシステム、例えば、強く結合された音響共振器、核共振器、機械共振器などのシステムに関して実現されることができ、係る一般的なシステムは、M.I.T.の研究者により彼らの文献で最初に説明されており、係る文献は、「Efficinet wireless non-radiative mid-range energy transfer」、Annals of Physics、Vol 323、Issue 1、p.34、2008年、及び「Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances」、Science、vol.317、no.5834、p.83、2007年である。また、ここに開示された電磁共振器および結合された電磁共振器のシステムは、より具体的には、１０ＧＨｚ未満の動作周波数を有する、結合された磁気共振器および結合された電気共振器と呼ばれる。
本開示は、無線電力送信技術とも呼ばれる無線エネルギー伝送技術を説明する。本開示の全体にわたって、用語の無線エネルギー伝送、無線電力伝送、無線電力送信などは、区別なく使用され得る。本発明者は、供給源、ＡＣ又はＤＣ供給源、バッテリー、供給源共振器、電源、電力発生装置、ソーラーパネル、及び熱吸収装置などからのエネルギー又は電力を、デバイス、遠隔デバイス、複数の遠隔デバイス、デバイス共振器（単数または複数）などに供給することに言及する。本発明者は、無線エネルギー伝送システムの有効範囲を拡張する中間共振器を説明し、その拡張は、供給源共振器から他のデバイス及び中間共振器の任意の組合せまで、エネルギーを跳ばす、通過伝送する、一時期的に蓄積する、部分的に消散することを可能にすることにより行われ、又は形はどうあれ仲介されるべき伝送のために行われ、その結果、エネルギー伝送ネットワーク又は一続きのもの、又は延長経路が実現され得る。デバイス共振器は、供給源共振器からのエネルギーを受け取り、デバイスに電力供給またはデバイスを充電するための電力にそのエネルギーの一部を変換し、同時に受け取ったエネルギーの一部を他のデバイス又はモバイル機器の共振器に送ることができる。エネルギーは、供給源共振器から複数のデバイス共振器まで伝送されることができ、エネルギーがワイヤレスで伝送され得る距離は大幅に延ばされる。無線電力伝送システムは、様々なシステムアーキテクチャ及び共振器の設計を用いて実現され得る。システムは、電力を単一のデバイス又は複数のデバイスに送信する単一の供給源または複数の供給源を含むことができる。共振器は、供給源共振器またはデバイス共振器となるように設計され得るか、或いは中継器となるように設計され得る。場合によっては、共振器は、同時にデバイス及び供給源共振器になることができ、又は供給源としての動作からデバイス又は中継器としての動作に切り換えられ得る。当業者には理解されるように、様々なシステムアーキテクチャは、ここに述べる広範囲の共振器設計および機能によりサポートされ得る。
説明される無線エネルギー伝送システムにおいて、遠隔デバイスは、ワイヤレスで供給される電力またはエネルギーを用いて直接的に電力供給され得るか、又はバッテリー、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタなどのようなエネルギー蓄積ユニット（又は他の種類の電力ドレイン）に結合されることができ、この場合、エネルギー蓄積ユニットは、ワイヤレスで充電または再充電されることができ、及び／又は無線電力伝送機構は、デバイスの主電源に対する単なる補助的なものになる。デバイスは、一体型蓄積キャパシタなどを備えるバッテリーのような、ハイブリッドのバッテリー／エネルギー蓄積装置により電力供給され得る。更に、新規なバッテリー及びエネルギー蓄積装置が、無線電力送信システムにより可能にされる動作上の改善を利用するように設計され得る。
他の電力管理状況は、デバイスがアイドル状態、スリープモードなどで電源がオフされている間に、バッテリーを再充電またはエネルギー蓄積ユニットを充電するためにワイヤレスで供給される電力を用いることを含む。バッテリー又はエネルギー蓄積ユニットは、高速（急速）又は低速（遅い）で充電または再充電され得る。バッテリー又はエネルギー蓄積ユニットは、トリクル充電またはフロート充電され得る。複数のデバイスは、同時に並行して充電または電力供給され得るか、又は複数のデバイスへの電力供給は、他の電力供給が他のデバイスに切り換えられた後の時間期間に、１つ又は複数のデバイスが電力を受け取るように、シリアル化され得る。複数のデバイスは、１つ又は複数の供給源からの電力を、１つ又は複数の他のデバイスと同時に、又は時分割多重化方法で、又は周波数分割多重化方法で、又は空間的多重化方法で、又は配向的多重化方法で、又は時分割、周波数分割、空間的、及び配向的多重化の任意の組合せで、共用することができる。複数のデバイスは、無線電力供給源として動作するために、互いに電力を共用する、或いは連続的に、断続的に、周期的に、時折に、又は一時的に再構成され得る少なくとも１つのデバイスと電力を共用する。当業者には理解されるように、デバイスの電力供給および／または充電のための様々な態様が存在し、様々な態様は、ここに述べる技術および応用形態に適用され得る。
無線エネルギー伝送は、様々な考えられる応用形態を有することができ、係る応用形態には例えば、天井に、床の下に、又は部屋の壁に供給源（例えば、有線電気送電系統に接続された供給源）を配置すると同時に、ロボット、車両、コンピュータ、ＰＤＡ又は類似物のようなデバイスが部屋の内部に配置されて自由に移動することが含まれる。他の応用形態には、バス及び／又はハイブリッド車のような電気エンジン車両、及び装着型または埋込み型装置のような医療機器の電力供給または再充電が含まれ得る。更なる例の応用形態には、自律電子機器（例えば、ラップトップコンピュータ、携帯電話、携帯型音楽プレイヤ、家庭用ロボット、ＧＰＳナビゲーションシステム、ディスプレイなど）、センサ、工業および製造装置、医療機器およびモニタ、家庭用電気製品および工具（例えば、照明、送風機、ドリル、鋸、ヒータ、ディスプレイ、テレビ、調理台の電化製品など）、軍事用機器、加熱または照明付き衣類、通信およびナビゲーション機器（車両、衣類および防護服（例えば、ヘルメット、防弾チョッキ及びベストなど）に組み込まれた機器を含む）に対する電力供給または再充電する能力、並びに物理的に分離されたデバイス（例えば、埋め込まれた医療機器、隠された、埋設された、埋没した、又は埋め込まれたセンサ又はタグ、屋根のソーラーパネルから屋内の分電盤まで及び／又は屋内の分電盤から屋根のソーラーパネルまでなど）に電力を送信する能力が含まれる。
一態様において、ここに開示するシステムは、直接電気接続で電力発生装置に結合された、ＱファクタＱ1及び特性サイズｘ1を有する供給源共振器と、直接電気接続で負荷に結合され且つ供給源共振器から距離Ｄに位置する、ＱファクタＱ2及び特性サイズｘ2を有する第２の共振器を備え、供給源共振器および第２の共振器は、電力発生装置から負荷へ電力を送電するために供給源共振器と第２の共振器との間でエネルギーをワイヤレスで交換するように結合され、√Ｑ1Ｑ2は、１００より大きい。
Ｑ1は１００より大きく、Ｑ2は１００未満である。又、Ｑ1が１００より大きく、Ｑ2も１００より大きくてもよい。有用なエネルギー交換は、０からＤまでの動作距離にわたって維持され、但し、Ｄは、ｘ1及びｘ2の小さい方より大きい。供給源共振器及び第２共振器の少なくとも一方は、キャパシタの第１ネットワークに接続された導電性材料の少なくとも１巻回のコイルである。キャパシタの第１ネットワークは、少なくとも１つの同調可能なキャパシタを含む。電力発生装置の接地端子への供給源共振器の直接電気接続及び負荷の接地端子への第２共振器の直接電気接続の少なくとも一方は、キャパシタの第１ネットワークの電気的対称軸上のポイントにおいて行われる。キャパシタの第１ネットワークは、少なくとも１つの同調可能なバタフライ型キャパシタを含み、接地端子への直接電気接続は、この少なくとも１つの同調可能なバタフライ型キャパシタの中央端子で行われる。電力発生装置への供給源共振器の直接電気接続及び負荷への第２共振器の直接電気接続の少なくとも一方は、キャパシタの第２ネットワークを経て行われ、キャパシタの第１ネットワーク及びキャパシタの第２ネットワークでインピーダンスマッチングネットワークが形成される。このインピーダンスマッチングネットワークは、電力発生装置の駆動周波数において電力発生装置又は負荷の特性インピーダンスにコイルをマッチングさせるように設計される。
キャパシタの第１ネットワーク及びキャパシタの第２ネットワークの少なくとも一方は、少なくとも１つの同調可能なキャパシタを含む。キャパシタの第１ネットワーク及びキャパシタの第２ネットワークは、電力発生装置の駆動周波数においてインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスを変化させるように調整可能である。又、キャパシタの第１ネットワーク及びキャパシタの第２ネットワークは、電力発生装置の駆動周波数において電力発生装置又は負荷の特性インピーダンスにコイルをマッチングさせるように調整可能である。キャパシタの第１ネットワーク及びキャパシタの第２ネットワークの少なくとも一方は、少なくとも１つの同調可能なキャパシタにまたがる電圧を下げる少なくとも１つの固定キャパシタを含む。電力発生装置への供給源共振器の直接電気接続及び負荷への第２共振器の直接電気接続の少なくとも一方は、共振モードを実質的に保存するように構成される。供給源共振器及び第２共振器の少なくとも一方は、同調可能な共振器である。供給源共振器は、電力発生装置から物理的に分離され、そして第２共振器は、負荷から物理的に分離される。第２共振器は、負荷へＤＣ電力を供給するために電力変換回路に結合される。又、第２共振器は、負荷へＡＣ電力を供給するために電力変換回路に結合される。更に、第２共振器は、負荷へＡＣ及びＤＣの両電力を供給するために電力変換回路に結合される。又、第２共振器は、複数の負荷へ電力を供給するために電力変換回路に結合される。
別の態様において、ここに開示するシステムは、ＱファクタＱ1及び特性サイズｘ1を有する供給源共振器と、この供給源共振器から距離Ｄに位置する、ＱファクタＱ2及び特性サイズｘ2を有する第２の共振器を備え、供給源共振器及び第２の共振器は、供給源共振器と第２の共振器との間でエネルギーをワイヤレスで交換するように結合され、√Ｑ1Ｑ2は、１００より大きく、共振器の少なくとも一方は、低ロスの正接材料に包囲される。
別の態様において、ここに開示するシステムは、ＱファクタＱ1及び特性サイズｘ1を有する供給源共振器と、この供給源共振器から距離Ｄに位置する、ＱファクタＱ2及び特性サイズｘ2を有する第２の共振器を備え、供給源共振器及び第２の共振器は、供給源共振器と第２の共振器との間でエネルギーをワイヤレスで交換するように結合され、√Ｑ1Ｑ2は、１００より大きく、更に、共振器の少なくとも一方は、キャパシタのネットワークに結合された導電性材料の複数の巻回のコイルを含み、その複数の巻回は、共通の平面内にあり、又、少なくとも一方の共振器の特性厚みは、少なくとも一方の共振器の特性サイズより著しく小さい。
本開示の全体にわたり、回路部品又は回路素子として、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、スイッチなどのような特定の回路部品に言及する。又、素子、回路網、トポロジー、回路などとして、これら部品の直列及び並列の組合せにも言及する。又、調整可能なインピーダンス回路網、チューニング回路網、マッチング回路網、調整素子などとして、キャパシタ、ダイオード、バラクタ、トランジスタ、及び／又はスイッチの組合せを説明する。又、全物体の全体にわたって分布された（又は単に集中されるとは対照的に、部分的に分布された）キャパシタンス及びインダクタンスを有する「自己共振」物体に言及する。当業者ならば理解されるように、回路又は回路網内の調整及び制御する可変構成要素は、その回路又は回路網の性能を調整することができ、それらの調整は概して、チューニング、調整、マッチング、補正などとして説明され得る。無線電力伝送システムの動作点をチューニング又は調整するための他の方法は、単独で、或い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のような、調整可能な構成要素を調整することに加えて使用され得る。
特に定義されない限り、ここに使用される全ての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術の当業者により一般に理解されるような同じ意味を有する。ここに言及された又は参照により本明細書に組み込まれる刊行物、特許出願、特許、及び他の文献と食い違う場合には、定義を含む本明細書が支配する。
上記で説明された任意の特徴は、本発明の範囲から逸脱せずに、単独で又は組み合わせて使用され得る。ここに開示されたシステム及び方法に関する他の特徴、目的、及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。
上述したように、本開示は、電源からの電力を電力消費体にワイヤレス（無線）で伝送することのできる長寿命振動性共振モード（long-lived oscillatory resonant mode）で結合された電磁共振器に関する。しかしながら、当該技術は、電磁共振器に限定されず、全般的であり、多種多様の共振器および共振物体に適用され得る。従って、最初に一般的な技術が説明され、次いで無線エネルギー伝送の電磁的例が開示される。
共振器
共振器は、少なくとも２つの異なる形態でエネルギーを蓄積することができるシステムとして定義されることができ、この場合、蓄積されたエネルギーは、２つの形態間で振動している。共振は、共振（モード）周波数ｆ、及び共振（モード）場を有する特定の振動モードを有する。共振角周波数ωは、ω＝２πｆとして定義されることができ、共振波長λは、λ＝ｃ／ｆとして定義されることができ、ここでｃは光の速度であり、及び共振周器Ｔは、Ｔ＝１／ｆ＝２π／ωとして定義され得る。損失機構、結合機構または外部エネルギー供給機構またはドレイン機構がない場合、共振器の蓄積された全エネルギーＷは、一定のままであり、且つ２つの形態のエネルギーが振動し、この場合、他方が最小である場合に、一方が最大であり、逆もまた同じである。
共振器は、少なくとも２つの異なる形態でエネルギーを蓄積することができるシステムとして定義されることができ、この場合、蓄積されたエネルギーは、２つの形態間で振動している。共振は、共振（モード）周波数ｆ、及び共振（モード）場を有する特定の振動モードを有する。共振角周波数ωは、ω＝２πｆとして定義されることができ、共振波長λは、λ＝ｃ／ｆとして定義されることができ、ここでｃは光の速度であり、及び共振周器Ｔは、Ｔ＝１／ｆ＝２π／ωとして定義され得る。損失機構、結合機構または外部エネルギー供給機構またはドレイン機構がない場合、共振器の蓄積された全エネルギーＷは、一定のままであり、且つ２つの形態のエネルギーが振動し、この場合、他方が最小である場合に、一方が最大であり、逆もまた同じである。
外部材料または外部物体がない場合、図１に示された共振器１０２のエネルギーは、固有損失により減衰または失われ得る。そして、共振器場は、以下の一次方程式に従う。即ち、
ここで、変数ａ（ｔ）は、共振器内に包含されるエネルギーが｜ａ（ｔ）｜2により与えられるように定義された共振場の振幅である。Γは、固有エネルギー減衰または損失率（例えば、吸収損失および放射損失に起因）である。
ここで、変数ａ（ｔ）は、共振器内に包含されるエネルギーが｜ａ（ｔ）｜2により与えられるように定義された共振場の振幅である。Γは、固有エネルギー減衰または損失率（例えば、吸収損失および放射損失に起因）である。
エネルギー減衰の特性を表す、共振器の品質係数、又はＱファクタ、又はＱは、これらエネルギー損失に反比例する。それは、Ｑ＝ω＊Ｗ／Ｐとして定義されることができ、ここでＰは、定常状態での時間平均電力損失である。即ち、高いＱを有する共振器１０２は比較的低い固有損失を有し、比較的長い時間にわたってエネルギーを蓄積することができる。共振器がその固有減衰率２Γでエネルギーを失うので、その固有Ｑ（intrinsic Q）とも呼ばれるそのＱは、Ｑ＝ω／２Γにより与えられる。また、Ｑファクタは、振動周期Ｔの数も表し、共振器のエネルギーがｅの倍数で減衰するのに要するのがＴである。
上述したように、本発明者は、固有の損失機構のみに起因するものとして共振器のＱファクタ又はＱを定義する。Ｑ1のような下付き文字は、Ｑが関係する共振器（この場合、共振器１）を示す。図２は、この規則に従って表記された電磁共振器１０２を示す。留意すべきは、この図において、共振器１の近傍には、外部物体または追加の共振器は存在していない。
第１の共振器の近傍の外部物体および／または追加の共振器は、第１の共振器に摂動を与え又は第１の共振器に負荷をかけ、それにより共振器と物体または他の共振器との間の距離、物体または他の共振器の材料組成、第１の共振器の構造、第１の共振器の電力などのような様々な因子に応じて、第１の共振器のＱに摂動を与え又は負荷をかける。共振器の近傍の外部材料および外部物体に対する意図しない外部エネルギー損失または結合機構は、共振器のＱに「摂動を与える(perturbing)」と呼ばれ、丸い括弧（）内の下付き文字により示され得る。他の共振器、及び電力発生装置に対する結合を介したエネルギー伝送に関連した意図された外部エネルギー損失、及び無線エネルギー伝送システムの負荷は、共振器のＱに「負荷をかける(loading)」と呼ばれ、角括弧[ ]内の下付き文字により示され得る。
電力発生装置、ｇ、又は負荷３０２、ｌ、に接続または結合された共振器１０２のＱは、「ローデッド(loaded)品質係数」又は「ローデッド(loaded)Ｑ」と呼ばれ、図３に示されたようにＱ[g]又はＱ[1]により示され得る。一般に、共振器１０２に接続された２つ以上の電力発生装置または負荷３０２が存在することができる。しかしながら、それらの電力発生装置または負荷は別々に列挙されないで、電力発生装置および負荷の組合せによりもたらされる等価な回路負荷を表すために「ｇ」及び「ｌ」が使用される。全般的な説明において、共振器に接続された電力発生装置または負荷を表すために下付き文字「ｌ」が使用され得る。
本明細書の一部の説明において、共振器に接続された電力発生装置または負荷に起因した「ローディング(loading)品質係数」又は「ローディング(loading)Ｑ」が、δＱ[1]として定義され、ここで、１／δＱ[1]≡１／Ｑ[1]−１／Ｑである。留意すべきは、電力発生装置または負荷の「ローディングＱ」、δＱ[1]が大きいほど、共振器の無負荷時のＱからのローデッドＱ、Ｑ[1]の偏差が小さくなる。
エネルギー伝送システムの一部であると意図されていない、外部物体４０２、ｐが存在する状態の共振器のＱは、「パーターブド(perturbed)品質係数」又は「パーターブド(perturbed)Ｑ」と呼ばれ、図４に示されるように、Ｑ(p)により示される。一般に、ｐ１、ｐ２等として示される多くの外部物体、又は共振器１０２のＱに摂動を与える一組の外部物体｛ｐ｝が存在することができる。この場合、パーターブドＱは、Ｑ(p1+p2+・・・)又はＱ({p})で示され得る。例えば、Ｑ1(brick+wood)は、れんが及び木片の存在する状態での無線電力交換のシステムにおける第１の共振器のパーターブドＱファクタを示すことができ、Ｑ2({office})は、オフィス環境での無線電力交換のシステムにおける第２の共振器のパーターブドＱファクタを示すことができる。
本明細書の一部の説明において、外部物体ｐに起因した「パータービング(perturbing)品質係数」又は「パータービング(perturbing)Ｑ」は、δＱ(p)として定義され、ここで、１／δＱ(p)≡１／Ｑ(p)−１／Ｑである。前述したように、パータービングＱファクタは、複数の外部物体ｐ１、ｐ２など、又は一組の外部物体｛ｐ｝に依存することができる。物体のパータービングＱ、δＱ(p)が大きいほど、共振器の非摂動ＱからのパーターブドＱ、Ｑ(p)の偏差が小さい。
本明細書の一部の説明において、Θ(p)≡Ｑ(p)／Ｑも定義され、それは、外部物体の存在する状態での共振器の「品質係数の無感受性」又は「Ｑ無感受性」と呼ばれる。Θ1(p)のような下付き文字は、摂動及び非摂動品質係数が表している共振器を示し、即ちΘ1(p)≡Ｑ1(p)／Ｑ1である。
留意すべきは、品質係数Ｑは、パーターブド品質係数Ｑ(p)から区別することが必要な場合には、「アンパーターブド(unperturbed)」として特徴付けられ、ローデッド品質係数Ｑ[1]から区別することが必要な場合には、「アンローデッド(unloaded)」として特徴付けられる。同様に、パーターブド品質係数Ｑ(p)は、ローデッド・パーターブド品質係数Ｑ(p)[1]から区別することが必要な場合には、「アンローデッド」として特徴付けられる。
結合された共振器
実質的に同じ共振周波数を有し、近接場の任意の部分を介して結合された共振器は、相互作用してエネルギーを交換することができる。このエネルギー交換を理解する、設計する、最適化する、及び特徴付けるために採用され得る様々な物理的画像およびモデルが存在する。２つの結合された共振器間のエネルギー交換を説明する及びモデル化するための１つの方法は、結合モード理論（ＣＭＴ）を用いている。
実質的に同じ共振周波数を有し、近接場の任意の部分を介して結合された共振器は、相互作用してエネルギーを交換することができる。このエネルギー交換を理解する、設計する、最適化する、及び特徴付けるために採用され得る様々な物理的画像およびモデルが存在する。２つの結合された共振器間のエネルギー交換を説明する及びモデル化するための１つの方法は、結合モード理論（ＣＭＴ）を用いている。
結合モード理論において、共振器の場は、以下の一次方程式の組に従う。
ここで、添え字は異なる共振器を示し、κmnは共振器間の結合係数である。相反系の場合、結合係数は、関係κmn＝κnmに従う。留意すべきは、本明細書の説明上、遠距離場放射線干渉の影響は無視され、かくして、結合係数が実数とみなされる。更に、本明細書におけるシステム性能の以後の計算の全てにおいて、結合係数は、それらの二乗、κmn 2でのみ現れ、κmnを用いて、実結合係数の絶対値が示される。
ここで、添え字は異なる共振器を示し、κmnは共振器間の結合係数である。相反系の場合、結合係数は、関係κmn＝κnmに従う。留意すべきは、本明細書の説明上、遠距離場放射線干渉の影響は無視され、かくして、結合係数が実数とみなされる。更に、本明細書におけるシステム性能の以後の計算の全てにおいて、結合係数は、それらの二乗、κmn 2でのみ現れ、κmnを用いて、実結合係数の絶対値が示される。
留意すべきは、上述したＣＭＴからの結合係数κmnは、
により、共振器ｍとｎとの間のいわゆる結合係数ｋmnに関係付けられる。又、「強い結合係数」Ｕmnは、
により、共振器ｍとｎとの間の結合および損失率の比として定義される。
により、共振器ｍとｎとの間のいわゆる結合係数ｋmnに関係付けられる。又、「強い結合係数」Ｕmnは、
により、共振器ｍとｎとの間の結合および損失率の比として定義される。
同様の周波数共振器ｎ又は追加の共振器の存在する状態で、共振器ｍのＱファクタは、接続された電力発生装置または電力消費装置により負荷をかけられている共振器に類似するように、その共振器ｎ又は追加の共振器により負荷をかけられ得る。共振器ｍが共振器ｎにより負荷をかけられ得る（逆もまた同じ）という事実は、共振器が結合されることを確認するための単に異なる方法である。
これらの場合での共振器のローデッドＱは、Ｑm[n]及びＱn[m]として示される。多数の共振器または負荷供給器またはデバイスの場合、共振器の全負荷は、各負荷を抵抗損失としてモデル化することにより、及び集合体の等価負荷を求めるために適切な並列および／または直列の組合せで、多数の負荷を追加することにより求められる。
ここでの説明において、共振器ｎによる共振器ｍの「ローディング品質係数」又は「ローディングＱm」が、δＱm[n]として定義され、ここで、１／δＱm[n]≡１／Ｑm[n]−１／Ｑmである。留意すべきは、共振器ｎも共振器ｍにより負荷をかけられ、その「ローディングＱn」は、１／δＱn[m]≡１／Ｑn[m]−１／Ｑnにより与えられる。
１つ以上の共振器が電力発生装置または負荷に接続される場合、一次方程式の組は次のように変更される。
ここで、ｓ+m（ｔ）及びｓ-m（ｔ）は、それぞれ、電力発生装置から共振器ｍに入る場の振幅、及び共振器ｍから電力発生装置の方へ戻る又は負荷へ入る場の振幅であり、それらが伝える電力が｜ｓ+m（ｔ）｜2及び｜ｓ-m（ｔ）｜2により与えられるように定義される。負荷係数κmは、エネルギーが共振器ｍと電力発生装置またはそれに接続された負荷との間で交換される割合に関係する。
ここで、ｓ+m（ｔ）及びｓ-m（ｔ）は、それぞれ、電力発生装置から共振器ｍに入る場の振幅、及び共振器ｍから電力発生装置の方へ戻る又は負荷へ入る場の振幅であり、それらが伝える電力が｜ｓ+m（ｔ）｜2及び｜ｓ-m（ｔ）｜2により与えられるように定義される。負荷係数κmは、エネルギーが共振器ｍと電力発生装置またはそれに接続された負荷との間で交換される割合に関係する。
留意すべきは、上述したＣＭＴからの負荷係数κmは、δＱm[1]＝ωm／２κmにより、前に定義されたローディング品質係数δＱm[1]に関係づけられる。
共振器ｍの負荷および損失率の比として、「強ローディング係数」Ｕm[1]が定義され、Ｕm[1]＝κm／Γm＝Ｑm／δＱm[1]である。
図１の（ａ）は、２つの結合された共振器１０００の例を示し、第１の共振器１０２Ｓは供給源の共振器（以降、供給源共振器と称す）として構成され、第２の共振器１０２Ｄはデバイスの共振器（以降、デバイス共振器と称す）として構成される。エネルギーは共振器間の距離Ｄにわたって伝送され得る。供給源共振器１０２Ｓは、電源または電力発生装置（図示せず）により駆動され得る。仕事は、電力消費ドレイン又は負荷（例えば、負荷抵抗器、図示せず）により、デバイス共振器１０２Ｄから取り出され得る。供給源に対して下付き文字「ｓ」を使用し、デバイスに対して「ｄ」を使用し、電力発生装置に対して「ｇ」を使用し、負荷に対して「ｌ」を使用し、この例において、２つの共振器のみが存在し、κsd＝κdsであるので、κsd、ｋsd、及びＵsdの添え字を省き、それらをそれぞれκ、ｋ及びＵとして示す。
電力発生装置は、角駆動周波数ωに対応する一定の駆動周波数ｆで供給源共振器を絶えず駆動することができ、ここで、ω＝２πｆである。
この場合、（供給源共振器及びデバイス共振器を介した）電力発生装置から負荷への電力伝送の効率、η＝｜ｓ-d｜2／｜ｓ+s｜2は、以下の条件の下で最大にされる。即ち、供給源共振器の周波数、デバイス共振器の周波数、及び電力発生装置の駆動周波数は一致される必要があり、即ち、
ωs＝ωd＝ω
更に、電力発生装置に起因した供給源共振器のローディングＱ、δＱs[g]は、デバイス共振器及び負荷に起因した供給源共振器のローデッドＱ、Ｑs[d1]にマッチング（等しく）される必要があり、逆に負荷に起因したデバイス共振器のローディングＱ、δＱd[1]は、供給源共振器および電力発生装置に起因したデバイス共振器のローデッドＱ、Ｑd[sg]にマッチング（等しく）される必要があり、即ち、
δＱs[g]＝Ｑs[d1]及びδＱd[1]＝Ｑd[sg]
これらの方程式は、電力発生装置による供給源共振器の、及び負荷によるデバイス共振器の最適な負荷率を以下のように求める。
上記周波数マッチング及びＱマッチングの条件は、電気工学において「インピーダンスマッチング」として共に知られていることに注意されたい。
ωs＝ωd＝ω
更に、電力発生装置に起因した供給源共振器のローディングＱ、δＱs[g]は、デバイス共振器及び負荷に起因した供給源共振器のローデッドＱ、Ｑs[d1]にマッチング（等しく）される必要があり、逆に負荷に起因したデバイス共振器のローディングＱ、δＱd[1]は、供給源共振器および電力発生装置に起因したデバイス共振器のローデッドＱ、Ｑd[sg]にマッチング（等しく）される必要があり、即ち、
δＱs[g]＝Ｑs[d1]及びδＱd[1]＝Ｑd[sg]
これらの方程式は、電力発生装置による供給源共振器の、及び負荷によるデバイス共振器の最適な負荷率を以下のように求める。
上記周波数マッチング及びＱマッチングの条件は、電気工学において「インピーダンスマッチング」として共に知られていることに注意されたい。
上記条件の下で、最大効率は、図５に示されるように、供給源共振器とデバイス共振器との間の強結合係数
のみの単調に増加する関数であり、
により与えられる。留意すべきは、結合効率ηは、Ｕが０．２より大きい場合に１％より大きく、Ｕが０．７より大きい場合に１０％より大きく、Ｕが１より大きい場合に１７％より大きく、Ｕが３より大きい場合に５２％より大きく、Ｕが９より大きい場合に８０％より大きく、Ｕが１９より大きい場合に９０％より大きく、Ｕが４５より大きい場合に９５％より大きい。幾つかの応用形態において、Ｕ＞１の場合の動作状況は、「強い結合」の状況と呼ばれ得る。
のみの単調に増加する関数であり、
により与えられる。留意すべきは、結合効率ηは、Ｕが０．２より大きい場合に１％より大きく、Ｕが０．７より大きい場合に１０％より大きく、Ｕが１より大きい場合に１７％より大きく、Ｕが３より大きい場合に５２％より大きく、Ｕが９より大きい場合に８０％より大きく、Ｕが１９より大きい場合に９０％より大きく、Ｕが４５より大きい場合に９５％より大きい。幾つかの応用形態において、Ｕ＞１の場合の動作状況は、「強い結合」の状況と呼ばれ得る。
特定の環境において、大きな
が望ましいので、高いＱである共振器が使用される。各共振器のＱは、高くすることができる。共振器のＱの幾何平均√ＱsＱdもむしろ高くするとができる。
が望ましいので、高いＱである共振器が使用される。各共振器のＱは、高くすることができる。共振器のＱの幾何平均√ＱsＱdもむしろ高くするとができる。
結合係数ｋは、０≦ｋ≦１の間の数であり、供給源共振器およびデバイス共振器の共振周波数に無関係（又はほぼ無関係）とすることができ、むしろそれらの相対的な幾何学的形状およびそれらの結合に介在する場の物理的な減衰法則により主として求められ得る。対照的に、結合係数
は、共振周波数の強い関数とすることができる。共振器の共振周波数は好適には、低いΓを達成するよりも、高いＱを達成するために選択されることができ、その理由は、これら２つの目標が２つの別個の共振周波数の状況で達成可能であるからである。
は、共振周波数の強い関数とすることができる。共振器の共振周波数は好適には、低いΓを達成するよりも、高いＱを達成するために選択されることができ、その理由は、これら２つの目標が２つの別個の共振周波数の状況で達成可能であるからである。
高Ｑの共振器（以降、高Ｑ共振器と称す）は、Ｑ＞１００を有するものとして定義される。２つの結合された共振器は、各共振器が１００より大きいＱ（Ｑs＞１００及びＱd＞１００）を有する場合に、高Ｑ共振器のシステムと呼ばれる。他の具現化形態において、２つの結合された共振器は、共振器のＱの幾何平均が１００より大きい場合、即ち
の場合に、高Ｑ共振器のシステムと呼ばれる。
の場合に、高Ｑ共振器のシステムと呼ばれる。
共振器は命名または番号付けされ得る。それらは、供給源共振器、デバイス共振器、第１の共振器、第２の共振器、中継共振器などと呼ばれ得る。理解されるべきは、２つの共振器が図１に示されるが、以下の例の多くにおいて、他の具現化形態は３つ以上の共振器を含むことができる。例えば、単一の供給源共振器１０２Ｓは、多数のデバイス共振器１０２Ｄ又は多数のデバイスにエネルギーを伝送することができる。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のデバイスへ以下同様に伝送され得る。多数の供給源がエネルギーを単一のデバイスへ、又は単一のデバイス共振器に接続された多数のデバイスへ、又は多数のデバイス共振器に接続された多数のデバイスへ伝送することができる。共振器１０２は、交互に又は同時に供給源、デバイスとしての機能を果たすことができ、又は１つの場所の供給源からの電力を別の場所のデバイスに中継するために使用され得る。中間の電磁共振器１０２は、無線エネルギー伝送システムの距離範囲を広げるために使用され得る。多数の共振器１０２は、相互にデイジーチェーン接続されて、延長された距離にわたって、広範囲の供給源およびデバイスとエネルギーを交換することができる。多数のデバイスに伝送される高い電力レベルが、多数の供給源１０２Ｓ間で分割されて、遠くの場所で再結合され得る。
単一の供給源および単一のデバイス共振器の分析は、多数の供給源共振器および／または多数のデバイス共振器および／または多数の中間共振器に拡張され得る。係る分析において、結論は、多数の共振器の少なくとも幾つか又は全ての間の大きな強結合係数Ｕmnが、無線エネルギー伝送での高いシステム効率に好適であるということである。また、具現化形態は、高いＱを有する供給源共振器、デバイス共振器、及び中間共振器を使用することができる。各共振器のＱは高くすることができる。一対の共振器ｍとｎ（大きなＵmnが望ましい）のＱの幾何平均√ＱmＱnもむしろ高くすることができる。
留意すべきは、２つの共振器の強結合係数が、各共振器の損失機構および２つの共振器間の結合機構の相対的大きさにより求められることができ、これら機構の何れかまたは全ての強さは、上述したように共振器の近傍の外部物体の存在する状態で摂動され得る。
前のセクションから表記に関する規則を続けると、外部物体または材料が存在しない状態での結合係数としてｋが説明される。外部物体ｐの存在する状態での結合係数はｋ(p)として示され、それを「パーターブド(perturbed)結合係数」又は「パーターブドｋ」と呼ぶ。留意すべきは、結合係数ｋも、パーターブド結合係数ｋ(p)から区別する必要がある場合に、「アンパーターブド(unperturbed)」として特徴付けられる。
δｋ(p)≡ｋ(p)−ｋを定義し、それは、外部物体ｐによる「結合係数に対する摂動」又は「ｋに対する摂動」と呼ばれる。
また、β(p)≡ｋ(p)／ｋも定義し、それは、「結合係数無感受性」又は「ｋ無感受性」と呼ばれる。β12(p)のような、下部の添え字は、パーターブド及びアンパーターブド結合係数が関連する共振器を示し、即ちβ12(p)≡ｋ12(p)／ｋ12である。
同様に、外部物体の存在しない状態での強結合係数としてＵを説明する。外部物体ｐの存在する状態での強結合係数がＵ(p)、
として示され、それは「パーターブド強結合係数」又は「パーターブドＵ」と呼ばれる。留意すべきは、強結合係数Ｕも、パーターブド強結合係数Ｕ(p)から区別する必要がある場合に、「アンパーターブド(unperturbed)」として特徴付けられる。
として示され、それは「パーターブド強結合係数」又は「パーターブドＵ」と呼ばれる。留意すべきは、強結合係数Ｕも、パーターブド強結合係数Ｕ(p)から区別する必要がある場合に、「アンパーターブド(unperturbed)」として特徴付けられる。
δＵ(p)≡Ｕ(p)−Ｕを定義し、それは、外部物体ｐによる「強結合係数に対する摂動」又は「Ｕに対する摂動」と呼ばれる。
Ξ(p)≡Ｕ(P)／Ｕも定義し、それは、「強結合係数の無感受性」又は「Ｕ無感受性」と呼ばれる。Ξ12(p)のような、下部の添え字は、パーターブド及びアンパーターブド結合係数が指す共振器を示し、即ちΞ12(p)≡Ｕ12(p)／Ｕ12である。
摂動されるシステムにおけるエネルギー交換の効率は、摂動されないシステムの効率を与える同じ式により与えられることができ、この場合、強結合係数、結合係数、及び品質係数のような全パラメータは、それらの摂動される（パーターブド）同等物により置き換えられる。例えば、１つの供給源および１つのデバイス共振器を含む無線エネルギー伝送のシステムにおいて、最適な効率は、以下のように計算される。
従って、外部物体により摂動される無線エネルギー交換のシステムにおいて、多数の共振器の少なくとも幾つか又は全ての間の大きいパーターブド強結合係数Ｕmn(p)は、無線エネルギー伝送の高いシステム効率に望ましい。供給源共振器、デバイス共振器、及び／又は中間共振器は高いＱ(p)を有することができる。
従って、外部物体により摂動される無線エネルギー交換のシステムにおいて、多数の共振器の少なくとも幾つか又は全ての間の大きいパーターブド強結合係数Ｕmn(p)は、無線エネルギー伝送の高いシステム効率に望ましい。供給源共振器、デバイス共振器、及び／又は中間共振器は高いＱ(p)を有することができる。
幾つかの外因性摂動は、（結合係数または品質係数に対する大きな摂動を介して）パーターブド強結合係数に時として弊害をもたらす場合がある。従って、システムに対する外因性摂動の影響を低減するための技術が使用され、大きな強結合係数無感受性が維持され得る。
エネルギー交換の効率
有用なエネルギー交換でのいわゆる「有用な」エネルギーは、デバイスに電力を供給する又はデバイスを充電するためにデバイス（単数または複数）に伝えられる必要があるエネルギー又は電力である。有用なエネルギー交換に対応する伝送効率は、システム依存または用途依存とすることができる。例えば、数キロワットの電力を伝送する高い電力の車両充電用途は、伝送システムの様々な構成要素が大幅に加熱せずに、車両のバッテリーを再充電するのに十分なように、有用なエネルギー交換で生じる有用な量の電力を供給するために少なくとも８０％の効率である必要がある。幾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％よりも大きい任意のエネルギー伝送効率、又は再充電可能なバッテリーを「満タン状態」に保つ及び長期間の動作を保つために許容できる他の量を含むことができる。幾つかの無線センサ用途の場合、１％よりも大幅に少ない伝送効率が、センサからかなりの距離に配置された単一の供給源から多数の低電力センサに電力供給するために適切であるかもしれない。更に他の用途について、有線の電力伝送が不可能または実用的でない場合、広範囲の伝送効率が有用なエネルギー交換に受け入れ可能であり、これらの用途において有用な電力がデバイスに供給されると考えられ得る。一般に、動作距離は、有用なエネルギー交換がここに開示された原理に従って維持される又は維持され得る任意の距離である。
有用なエネルギー交換でのいわゆる「有用な」エネルギーは、デバイスに電力を供給する又はデバイスを充電するためにデバイス（単数または複数）に伝えられる必要があるエネルギー又は電力である。有用なエネルギー交換に対応する伝送効率は、システム依存または用途依存とすることができる。例えば、数キロワットの電力を伝送する高い電力の車両充電用途は、伝送システムの様々な構成要素が大幅に加熱せずに、車両のバッテリーを再充電するのに十分なように、有用なエネルギー交換で生じる有用な量の電力を供給するために少なくとも８０％の効率である必要がある。幾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％よりも大きい任意のエネルギー伝送効率、又は再充電可能なバッテリーを「満タン状態」に保つ及び長期間の動作を保つために許容できる他の量を含むことができる。幾つかの無線センサ用途の場合、１％よりも大幅に少ない伝送効率が、センサからかなりの距離に配置された単一の供給源から多数の低電力センサに電力供給するために適切であるかもしれない。更に他の用途について、有線の電力伝送が不可能または実用的でない場合、広範囲の伝送効率が有用なエネルギー交換に受け入れ可能であり、これらの用途において有用な電力がデバイスに供給されると考えられ得る。一般に、動作距離は、有用なエネルギー交換がここに開示された原理に従って維持される又は維持され得る任意の距離である。
電力供給または再充電の用途における無線エネルギー伝送の有用なエネルギー交換は、無駄なエネルギーレベル、熱放散、及び関連する電界強度が許容限界内である限り、効率的、非常に効率的、又は十分に効率的とすることができる。許容限界は、用途、環境、システムの場所に依存する場合がある。電力供給または再充電の用途の無線エネルギー伝送は、所望のシステム性能が適度なコスト的制限、重量制限、サイズ制限などに対して達せられ得る限り、効率的、非常に効率的、又は十分に効率的とすることができる。効率的なエネルギー伝送は、高いＱシステムでない従来の誘導技術を用いて達成され得るものに対して決定され得る。次いで、エネルギー伝送は、同様の距離にわたって又は位置合わせオフセット量で従来の誘導方法での同様なサイズのコイル構造により伝えられ得るエネルギーよりも多くのエネルギーが伝えられた場合に、効率的、非常に効率的、又は十分に効率的であるとして定義され得る。
留意すべきは、たとえ特定の周波数およびＱマッチング条件がエネルギー伝送のシステム効率を最適化できるとしても、これら条件は、有用なエネルギー交換に関して効率的で十分なエネルギー伝送を有するために厳密に満たされる必要はないかもしれない。効率的なエネルギー交換は、共振周波数の相対的なオフセット量（｜ωm−ωn｜／√ωmωn）が、１／Ｑm(p)、１／Ｑn(p)、及びｋmn(p)の中のほぼ最大値より小さい限り、実現され得る。Ｑマッチング条件は、効率的なエネルギー交換の周波数マッチング条件よりもあまり重要でない。電力発生装置および／または負荷に起因した共振器の強ローディング率Ｕm[1]がそれらの最適な値から離れることができる、及び依然として効率的で十分なエネルギー交換を有する程度は、特定のシステムに依存し、電力発生装置および／または負荷の全て又は幾つかがＱのミスマッチングであるか否かなどに依存する。
従って、共振器の共振周波数は厳密にマッチングされることができないが、上記の許容範囲内でマッチングされ得る。電力発生装置および／または負荷に起因した少なくとも幾つかの共振器の強ローディング率は、それらの最適な値に厳密にマッチングされなくてもよい。電圧レベル、電流レベル、インピーダンス値、材料パラメータなどは、本開示で説明された厳密な値にいなくてもよいが、これらの値の何らかの許容できる許容範囲内にある。システムの最適化には、効率、Ｑ、周波数、強結合係数など、考慮事項に加えて、コスト、サイズ、重量、複雑性など、考慮事項が含まれ得る。幾つかのシステム性能パラメータ、仕様、及び設計は、他のシステム性能パラメータ、仕様、及び設計を最適化するために、決して最適ではないかもしれない。
幾つかの用途において、少なくとも幾つかのシステムパラメータは、例えば、供給源またはデバイスのような構成要素が移動できる又は経年劣化するという理由で、又は負荷が変化しやすいという理由で、又は摂動または環境条件が変化しているなどの理由で、時間的に変化する可能性がある。これらの場合において、許容できるマッチング条件を達成するために、少なくとも幾つかのシステムパラメータは、動的に調整可能またはチューナブルである必要がある。全システムパラメータは、ほぼ最適な動作状態を達成するために動的に調整可能またはチューナブルとすることができる。しかしながら、上述したことに基づいて、効率的で十分なエネルギー交換は、たとえ幾つかのシステムパラメータが可変でなくても、実現され得る。幾つかの例において、少なくとも幾つかのデバイスは動的に調整されなくてもよい。幾つかの例において、少なくとも幾つかの供給源は動的に調整されなくてもよい。幾つかの例において、少なくとも幾つかの中間の共振器は動的に調整されなくてもよい。幾つかの例において、システムパラメータはどれも動的に調整されなくてもよい。
電磁共振器
エネルギーを交換するために使用される共振器は電磁共振器とすることができる。係る共振器において、固有のエネルギー減衰率Γmは、共振器の吸収（又は抵抗）損失および放射損失により与えられる。
エネルギーを交換するために使用される共振器は電磁共振器とすることができる。係る共振器において、固有のエネルギー減衰率Γmは、共振器の吸収（又は抵抗）損失および放射損失により与えられる。
共振器は、電界により蓄積されるエネルギーが主として構造体内に閉じ込められるように、及び磁界により蓄積されたエネルギーが主として共振器の周囲の領域にあるように構成され得る。そして、エネルギー交換は共振近傍磁界により主として実現される。これらタイプの共振器は、磁気共振器と呼ばれる。
共振器は、磁界により蓄積されたエネルギーが主として構造体内に閉じ込められるように、及び電界により蓄積されたエネルギーが主として共振器の周囲の領域にあるように構成され得る。そして、エネルギー交換は共振近傍電界により主として実現される。これらタイプの共振器は、電気共振器と呼ばれる。
留意すべきは、共振器により蓄積される電気的エネルギー及び磁気エネルギーは等しい必要があるが、それらの局在性は、全く違う場合がある。場合によっては、共振器から或る距離を離れて特定された平均電界エネルギーと平均磁界エネルギーの比は、共振器を特徴づける又は説明するために使用され得る。
電磁共振器は、誘導性素子、分布インダクタンス、又はインダクタンスＬを有するインダクタンスの組合せ、及び容量性素子、分布キャパシタンス、又はキャパシタンスＣを有するキャパシタンスの組合せを含むことができる。電磁共振器１０２の最小回路モデルが図６ａに示される。共振器は、誘導性素子１０８及び容量性素子１０４を含むことができる。キャパシタ１０４に蓄電された電界エネルギーのような初期エネルギーが提供されると、システムは、キャパシタが伝送エネルギーをインダクタ１０８に蓄積される磁場エネルギーへ放電し、次いでインダクタ１０８がキャパシタ１０４に蓄電される電界エネルギーへエネルギーを戻すように振動する。
図６の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示された共振器１０２は、磁気共振器と呼ばれ得る。磁気共振器は、人口の多い環境において無線エネルギー伝送用途に好適であり、その理由は、動物、植物、及び人間を含むほぼ日常の構成物質が非磁性（即ち、μｒ≒１）であり、そのためそれらの磁界との相互作用が最小であるからであり、係る相互作用は、二次効果である、磁界の時間変化により誘導される渦電流に主として起因する。この特徴は、安全上の理由で、及びそれが、システム性能を変化させる可能性がある外部環境物体および材料との相互作用の可能性を低減するという理由で重要である。
図６の（ｄ）は、例示的な磁気共振器１０２Ｂに関連した電界および磁界の力線の幾つかの簡易図を示す。磁気共振器１０２Ｂは、誘導性素子１０８として働くコンダクタのループ、及びコンダクタループの両端に容量性素子１０４を含むことができる。留意すべきは、この図面は、磁界に蓄積されている共振器の周囲の領域でのエネルギーの大部分、及び電界に蓄積された共振器（蓄電板の間）のエネルギーの大部分を示す。フリンジ電界、自由電荷、及び時間変動磁界に起因した或る電界は、共振器の周りの領域に蓄積され得るが、磁気共振器は、できる限り多くの電界を共振器自体に接近して又は共振器自体内に閉じ込めるように設計され得る。
電磁共振器１０２のインダクタ１０８及びキャパシタ１０４は、バルク回路素子とすることができるか、又はインダクタンス及びキャパシタンスは分布（分散）されることができ、結果としてその態様から構造内に導体が形成され、形作られ、又は配置され得る。例えば、インダクタ１０８は、図６の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示されるように、表面積を包囲するように導体を形作ることにより実現され得る。このタイプの共振器１０２は、容量的に装荷されたループインダクタと呼ばれ得る。留意すべきは、用語「ループ」又は「コイル」は、任意の形状および寸法の表面を包囲し、任意のターン数を有する導電構造（ワイヤ、管、ストリップなど）を概して示すために使用される。図６の（ｂ）において、包囲された表面積は円形であるが、表面は任意の多種多様な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の仕様を達成するために設計され得る。インダクタンスが如何にして物理的寸法に対応するかを示すための例として、一巻きの円形ループを形成するように構成された円形導体の長さに対するインダクタンスは、ほぼ以下の通りである。
ここで、μ0は自由空間の透磁率であり、ｘは包囲された円形の表面積の半径であり、ａはインダクタループを形成するために使用される導体の半径である。ループのインダクタンスのより正確な値は、分析的に又は数値的に計算され得る。
ここで、μ0は自由空間の透磁率であり、ｘは包囲された円形の表面積の半径であり、ａはインダクタループを形成するために使用される導体の半径である。ループのインダクタンスのより正確な値は、分析的に又は数値的に計算され得る。
他の包囲される表面形状、領域、サイズなどを形成するために構成された、及び任意のターン数のワイヤの、他の断面の導体に関するインダクタンスは、分析的、数値的に計算され得るか、又は測定により求められ得る。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、インダクタ及びインダクタンスの直列および並列の組合せなどを用いて実現され得る。インダクタンスは、固定または可変とすることができ、インピーダンスマッチング並びに共振周波数の動作条件を変更するために使用され得る。
共振器構造の所望の共振周波数を達成するために必要なキャパシタンスを実現するための様々な方法が存在する。蓄電板１１０が、図６の（ｂ）に示されるように形成されて利用され得るか、又はキャパシタンスが、図６の（ｃ）に示されるように、マルチループの導体１１４の隣接する巻線間に分布されて実現され得る。キャパシタンスは、キャパシタ素子、分布キャパシタンス、回路網、アレイ、キャパシタンスの直列および並列の組合せなどを用いて実現され得る。キャパシタンスは固定または可変とすることができ、インピーダンスマッチング並びに共振周波数の動作条件を変更するために使用され得る。
理解されるべきは、電磁共振器１０２のインダクタンス及びキャパシタンスは、集中され得るか、分布され得るか、又は集中および分布インダクタンス及びキャパシタンスの組合せとすることができ、電磁共振器は、様々な素子、技術、及びここに説明される効果の組合せにより実現され得る。
電磁共振器１０２は、インダクタ、インダクタンス、キャパシタ、キャパシタンス、及び追加の回路素子（例えば、抵抗、ダイオード、スイッチ、増幅器、ダイオード、トランジスタ、変圧器、導体、コネクタなど）を含むことができる。
電磁共振器の共振周波数
電磁共振器１０２は、特性の共振周波数、固有の共振周波数、又はその物理的特性により求められる共振周波数を有することができる。この共振周波数は、共振器の電界ＷE（ＷE＝ｑ2／２Ｃ、ここでｑはキャパシタＣの電荷である）により蓄積されたエネルギーと、磁界ＷB（ＷB＝Ｌｉ2／２、ここでｉはインダクタＬに流れる電流である）により蓄積されたエネルギーとの間で、共振器により蓄積されたエネルギーが振動する周波数である。システム（系）において任意の損失がない場合、エネルギーはキャパシタ１０４の電界とインダクタ１０８の磁界との間で継続的に交換される。エネルギーが交換される周波数は、共振器の特性周波数、固有周波数、又は共振周波数と呼ばれることができ、それは、ωにより与えられる。
電磁共振器１０２は、特性の共振周波数、固有の共振周波数、又はその物理的特性により求められる共振周波数を有することができる。この共振周波数は、共振器の電界ＷE（ＷE＝ｑ2／２Ｃ、ここでｑはキャパシタＣの電荷である）により蓄積されたエネルギーと、磁界ＷB（ＷB＝Ｌｉ2／２、ここでｉはインダクタＬに流れる電流である）により蓄積されたエネルギーとの間で、共振器により蓄積されたエネルギーが振動する周波数である。システム（系）において任意の損失がない場合、エネルギーはキャパシタ１０４の電界とインダクタ１０８の磁界との間で継続的に交換される。エネルギーが交換される周波数は、共振器の特性周波数、固有周波数、又は共振周波数と呼ばれることができ、それは、ωにより与えられる。
共振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスＬ、及び／又はキャパシタンスＣをチューニング（調整）することにより変更され得る。共振器の周波数は、ＦＣＣにより規定されるような、いわゆるＩＳＭ（Industrial（工業）、Scientific（科学）、Medical（医療））周波数で動作するように設計され得る。共振器の周波数は、特定の領域制限の仕様、比吸収率（ＳＡＲ）制限の仕様、電磁両立性（ＥＭＣ）の仕様、電磁妨害（ＥＭＩ）の仕様、構成要素のサイズ、コスト、又は性能仕様などを満たすように選択され得る。
電磁共振器の品質係数
図６に示された共振器１０２のエネルギーは、吸収損失（抵抗損または抵抗損失とも呼ぶ）及び／又は放射損失を含む固有損失により減衰または失われ得る。エネルギー減衰を特徴付ける、共振器のＱファクタ又はＱは、それらの損失に反比例する。吸収損失は、インダクタを形成するために使用される導体の有限導電率により、並びに共振器の他の素子、構成要素、コネクタなどの損失によりもたらされる可能性がある。低損失材料から形成されたインダクタは、「高Ｑ誘導性素子」と呼ばれることができ、低い損失を有する素子、構成要素、コネクタなどは、「高い抵抗性Ｑ」を有すると呼ばれ得る。一般に、共振器の全吸収損失は、共振器を構成する様々な素子および構成要素の抵抗損失の適切な直列および／または並列の組合せとして計算され得る。即ち、任意の顕著な放射損失または構成要素／接続の損失がない状態において、共振器のＱは、Ｑabsにより与えられる。
ここで、ωは共振周波数であり、Ｌは共振器の全インダクタンスであり、例えば、インダクタを形成するために使用される導体の抵抗は、Ｒabs＝ｌρ／Ａにより与えられる（ｌはワイヤの長さであり、ρは導体材料の抵抗率であり、Ａは電流がワイヤに流れる断面積である）。交流電流の場合、電流が流れる断面積は、表皮効果に起因して導体の物理的な断面積より小さくすることができる。従って、高Ｑ磁気共振器は、高い導電率、比較的大きな表面積を有する導体、及び／又は近接効果を最小限にする及びＡＣ抵抗を低減するために特別に設計された断面を有する導体（例えば、リッツ線）から構成される。
図６に示された共振器１０２のエネルギーは、吸収損失（抵抗損または抵抗損失とも呼ぶ）及び／又は放射損失を含む固有損失により減衰または失われ得る。エネルギー減衰を特徴付ける、共振器のＱファクタ又はＱは、それらの損失に反比例する。吸収損失は、インダクタを形成するために使用される導体の有限導電率により、並びに共振器の他の素子、構成要素、コネクタなどの損失によりもたらされる可能性がある。低損失材料から形成されたインダクタは、「高Ｑ誘導性素子」と呼ばれることができ、低い損失を有する素子、構成要素、コネクタなどは、「高い抵抗性Ｑ」を有すると呼ばれ得る。一般に、共振器の全吸収損失は、共振器を構成する様々な素子および構成要素の抵抗損失の適切な直列および／または並列の組合せとして計算され得る。即ち、任意の顕著な放射損失または構成要素／接続の損失がない状態において、共振器のＱは、Ｑabsにより与えられる。
ここで、ωは共振周波数であり、Ｌは共振器の全インダクタンスであり、例えば、インダクタを形成するために使用される導体の抵抗は、Ｒabs＝ｌρ／Ａにより与えられる（ｌはワイヤの長さであり、ρは導体材料の抵抗率であり、Ａは電流がワイヤに流れる断面積である）。交流電流の場合、電流が流れる断面積は、表皮効果に起因して導体の物理的な断面積より小さくすることができる。従って、高Ｑ磁気共振器は、高い導電率、比較的大きな表面積を有する導体、及び／又は近接効果を最小限にする及びＡＣ抵抗を低減するために特別に設計された断面を有する導体（例えば、リッツ線）から構成される。
磁気共振器の構造は、高い導電率のワイヤ、被覆線、リッツ線、リボン、ストラップ又はプレート、管、塗料、ゲル、トレースなどから構成された高Ｑ誘導性素子を含むことができる。磁気共振器は、自己共振とすることができ、キャパシタ、インダクタ、スイッチ、ダイオード、トランジスタ、変圧器などのような外部結合素子を含むことができる。磁気共振器は、分布および集中キャパシタンス及びインダクタンスを含むことができる。一般に、共振器のＱは、共振器の個々の構成要素の全てのＱにより求められる。
ＱはインダクタンスＬに比例するので、共振器は、特定の他の制約の範囲内でＬを増加させるように設計され得る。例えば、Ｌを増加させるための１つの方法は、共振器のインダクタを形成するために２つ以上のターン数の導体を使用することである。設計技術およびトレードオフは用途に依存し、多種多様な構造、導体、構成要素、及び共振周波数は、高Ｑ磁気共振器の設計で選択され得る。
顕著な吸収損失がない状態で、共振器のＱは、主として放射損失により求められることができ、Ｑrad＝ωＬ／Ｒradにより与えられ、ここで、Ｒradは共振器の放射損失であり、動作の周波数ω又は波長λに対する共振器のサイズに依存する。上述した磁気共振器の場合、放射損失は、Ｒrad〜（ｘ／λ）４（磁気双極子放射の特性）としてスケーリングされることができ、ここで、ｘは図６の（ｂ）に示された誘導性素子の半径のような、共振器の特性寸法であり、λ＝ｃ／ｆであり、ｃは光速であり、ｆは上記で定義されたものと同じである。磁気共振器のサイズは、動作の波長よりも非常に小さくすることができ、そのため放射損失が非常に小さくなることができる。係る構造は、副波長共振器と呼ばれ得る。放射は、非放射型無線エネルギー伝送システムの損失機構とすることができ、設計は、Ｒradを低減または最小化するように選択され得る。留意すべきは、高Ｑradは、非放射型無線エネルギー伝送方法に望ましい。
また、留意すべきは、非放射型無線エネルギー伝送用の共振器の設計は、通信または遠距離場エネルギー伝送目的に設計されたアンテナとは異なる。特に、容量的に装荷された導電性ループは共振アンテナ（例えば、セル方式の携帯電話で）として使用され得るが、それらは、放射Ｑが放射エネルギーにおいてアンテナ効率を小さくするように意図的に設計されている遠距離場の状況で動作する。係る設計は、ここに開示された効率的な近接場無線エネルギー伝送技術に適切ではない。
放射損失および吸収損失を含む共振器のＱファクタは、Ｑ＝ωＬ／（Ｒabs＋Ｒrad）である。留意すべきは、特定の共振器に対する最大Ｑ値が存在し、その共振器は、高Ｑ共振器を達成するために、共振器、動作周波数、接続機構などを構成するために使用される共振器のサイズ、材料、及び素子に特別に配慮して設計され得る。図７は、ＭＨｚ周波数での無線電力送信に使用され得る例示的な磁気共振器（この場合、４ｃｍの外径（ＯＤ）を有する銅管から作成された６０ｃｍの直径を有するコイル）のＱのグラフを示す。吸収Ｑ（波線）７０２は周波数と共に増加するが、放射Ｑ（点線）７０４は周波数と共に減少し、かくして全体のＱが特定の周波数でピーク７０８ということになる。留意すべきは、この例示的な共振器のＱは、広い周波数範囲にわたって１００より大きい。磁気共振器は、周波数範囲にわたって高Ｑを有するように設計されることができ、システムの動作周波数はその範囲の任意の周波数に設定され得る。
共振器が損失率の点で記述されている場合、そのＱは、前述されたように、固有の減衰率２Γを用いて定義され得る。固有の減衰率は、非結合および非駆動の共振器がエネルギーを失う率である。上述した磁気共振器の場合、固有の損失率は、Γ＝（Ｒabs＋Ｒrad）／２Ｌにより与えられることができ、共振器のＱファクタＱは、Ｑ＝ω／２Γにより与えられる。
留意すべきは、特定の損失機構にのみ関連したＱファクタは、共振器が特定されていない場合、Ｑmechanismとして示され、共振器が特定されている場合（例えば、共振器１）、Ｑ1,mechanismとして示される。例えば、Ｑ1,radは、放射損失に関連した共振器１のＱファクタである。
電磁共振器の近接場
ここに開示された近接場無線エネルギー伝送システムで使用される高Ｑ電磁共振器は、副波長物体とすることができる。即ち、共振器の物理的寸法は、共振周波数に対応する波長よりもはるかに小さくすることができる。副波長磁気共振器は、それらの近傍磁界に蓄積されたエネルギーの大部分を共振器の周囲の領域に有することができ、これらの場は、共振器から離れて放射しないので、変化しないもの又は非伝搬としても記述され得る。共振器を取り囲む領域の近接場の範囲は一般に、波長により設定され、そのため、近接場は、副波長共振器の共振器自体を越えて適切に広がることができる。場の振る舞いが近接場の振る舞いから遠距離場の振る舞いに変化する制限表面は、「放射コーステック（caustic）」と呼ばれる。
ここに開示された近接場無線エネルギー伝送システムで使用される高Ｑ電磁共振器は、副波長物体とすることができる。即ち、共振器の物理的寸法は、共振周波数に対応する波長よりもはるかに小さくすることができる。副波長磁気共振器は、それらの近傍磁界に蓄積されたエネルギーの大部分を共振器の周囲の領域に有することができ、これらの場は、共振器から離れて放射しないので、変化しないもの又は非伝搬としても記述され得る。共振器を取り囲む領域の近接場の範囲は一般に、波長により設定され、そのため、近接場は、副波長共振器の共振器自体を越えて適切に広がることができる。場の振る舞いが近接場の振る舞いから遠距離場の振る舞いに変化する制限表面は、「放射コーステック（caustic）」と呼ばれる。
近接場の強さは、共振器から遠ざかるほど低減される。共振器近接場の場の強さは、共振器から離れるように減衰するが、場は、共振器の全般的な近傍に持ってこられた物体と依然として相互作用することができる。場が相互作用する程度は、様々な因子に依存し、当該因子の幾つかは制御および設計されることができ、及び当該因子の幾つかは制御および設計されることができない。ここに説明される無線エネルギー伝送方法は、結合された共振器間の距離が、１つの共振器が他の共振器の放射コーステックの範囲内に位置する場合に実現され得る。
電磁共振器の近接場のプロファイルは、双極子（ダイポール）共振器または振動子に一般に関連したものに類似する。係る場のプロファイルは、全方向として記述されることができ、場の大きさを意味することは、物体から離れる全方向において非ゼロである。
電磁共振器の特性サイズ
空間的に分離および／またはオフセットした、十分なＱの磁気共振器は、たとえ共振器構造のサイズ及び形状が異なっても、従来技術で見られたものよりはるかに長い距離にわたって効率的な無線エネルギー伝送を達成することができる。また、係る共振器は、より短い範囲の距離にわたって、従来技術で達成可能であったものよりも効率的なエネルギー伝送を達成するように動作され得る。係る共振器が中距離エネルギー伝送をできるものとして説明される。
空間的に分離および／またはオフセットした、十分なＱの磁気共振器は、たとえ共振器構造のサイズ及び形状が異なっても、従来技術で見られたものよりはるかに長い距離にわたって効率的な無線エネルギー伝送を達成することができる。また、係る共振器は、より短い範囲の距離にわたって、従来技術で達成可能であったものよりも効率的なエネルギー伝送を達成するように動作され得る。係る共振器が中距離エネルギー伝送をできるものとして説明される。
中距離は、伝送に含まれる最も小さい共振器の特性寸法よりも大きい距離として定義されることができ、この場合、距離は、１つの共振器構造の中心から、空間的に離れた第２の共振器構造の中心までを測定される。この定義において、二次元共振器は、それらの誘導性素子によって外接した領域が交差しない場合に空間的に分離されており、三次元共振器は、それらの体積が交差しない場合に空間的に分離されている。二次元共振器は、二次元共振器により外接した領域が三次元共振器の体積の外側にある場合に、三次元共振器から空間的に分離されている。
図８は、特性寸法を表記された幾つかの共振器の例を示す。理解されるべきは、共振器１０２の特性サイズ８０２は、導体のサイズ、磁気共振器の誘導性素子により外接または包囲された領域、電気共振器の容量性素子を形成する導体の長さの点で定義され得る。そして、共振器１０２の特性サイズ８０２、ｘcharは、磁気または電気共振器のそれぞれの誘導性素子または容量性素子の周りに適合することができる最も小さい球の半径に等しくすることができ、共振器構造の中心が球の中心である。共振器１０２の特性厚さ８０４、ｔcharは、磁気または電気共振器のそれぞれの誘導性素子または容量性素子の、それが配置された平面から測定された最も高い点の最も小さい可能な高さとすることができる。共振器１０２の特性幅８０８、ｗcharは、磁気または電気共振器のそれぞれの誘導性素子または容量性素子が通過ることができるが、直線で進む最も小さい可能な円の半径とすることができる。例えば、円柱状共振器の特性幅８０８は、円柱の半径とすることができる。
本発明の無線エネルギー伝送技術において、エネルギーは、広範囲の距離にわたって効率的に交換され得るが、当該技術は、中間距離にわたって、及び異なる物理的寸法、構成要素、及び方向性を有する共振器間で、デバイスに電力供給またはデバイスを再充電するための有用なエネルギーを交換するための能力により区別される。留意すべきは、ｋはこれらの環境で小さくすることができるが、強い結合および効率的なエネルギー伝送は、高いＵ、Ｕ＝ｋ√ＱsＱdを達成するために高Ｑ共振器を用いることにより実現され得る。即ち、Ｑの増加は、有用なエネルギー伝送効率を維持するために、少なくとも部分的にｋの減少を克服するために使用され得る。
また、留意すべきは、単一の共振器の近接場が全方向として説明され得るが、２つの共振器間のエネルギー交換の効率は、共振器の相対的な位置および方向性に依存する可能性がある。即ち、エネルギー交換の効率は、共振器の特定の相対的な方向性に対して最大化され得る。２つの補償されていない共振器の相対位置および方向性に対する伝送効率の感度は、ｋ又はκの計算で捕らえられ得る。結合は、互いに対してオフセットされた及び／又は回転された共振器間で達成され得るが、交換の効率は、位置決めの細部に依存する、及び動作中に実施される任意のフィードバック、チューニング、及び補償技術に依存する可能性がある。
高Ｑ磁気共振器
副波長の容量的に装荷されたループ磁気共振器（ｘ≪λ）の近接場の状況において、半径が 表皮深さより大きい、Ｎターンのワイヤから構成された円形導電性ループインダクタに関連した抵抗は、ほぼ以下の通りである。
ここで、ρは、導電材料の抵抗率であり、η０≒１２０πΩは自由空間のインピーダンスである。係るＮターンのループのインダクタンスＬは、予め与えられる単一ターンのループのインダクタンスのほぼＮ２倍である。係る共振器のＱファクタ、Ｑ＝ωＬ／（Ｒabs＋Ｒrad）は、システムパラメータ（図４）により求められた特定の周波数に対して最も高い。前述されたように、より低い周波数において、Ｑは主として吸収損失により求められ、より高い周波数において、Ｑは、主として放射損失により求められる。
副波長の容量的に装荷されたループ磁気共振器（ｘ≪λ）の近接場の状況において、半径が 表皮深さより大きい、Ｎターンのワイヤから構成された円形導電性ループインダクタに関連した抵抗は、ほぼ以下の通りである。
ここで、ρは、導電材料の抵抗率であり、η０≒１２０πΩは自由空間のインピーダンスである。係るＮターンのループのインダクタンスＬは、予め与えられる単一ターンのループのインダクタンスのほぼＮ２倍である。係る共振器のＱファクタ、Ｑ＝ωＬ／（Ｒabs＋Ｒrad）は、システムパラメータ（図４）により求められた特定の周波数に対して最も高い。前述されたように、より低い周波数において、Ｑは主として吸収損失により求められ、より高い周波数において、Ｑは、主として放射損失により求められる。
留意すべきは、上記で与えられた式は、近似であり、構造の物理的パラメータにおけるＲabs、Ｒrad及びＬの関数依存性を示すことが意図されている。厳密な準静的制限からの偏移、例えば、導体に沿った不均一な電流／電荷分布を考慮する、これらパラメータのより正確な数値計算は、共振器構造の精密な設計に役立つことができる。
留意すべきは、吸収損失は、誘導性素子を形成するために低損失導体を用いることにより最小化され得る。導体の損失は、導電性管、ストラップ、ストリップ、機械加工物体、プレートなどのような大きな表面積の導体を用いることにより、リッツ線、撚り線、任意の断面のワイヤ、及び低い近接損失を有する他の導体のような特別に設計された導体（この場合、上述した周波数スケーリングされた振る舞いは異なる可能性がある）を用いることにより、及び例えば、高純度銅および銀のような低い抵抗率の材料を用いることにより、最小限にされ得る。より高い動作周波数において導体として導電性管を用いる１つの利点は、同様の直径の中空でない導体よりも安く及び軽くでき、大部分の電流が表皮効果に起因して導体の外面に沿って伝わるので同様の抵抗を有することができるということである。
銅線または銅管から作成され、マイクロ波領域での動作に適した実現可能な共振器の設計のおおよその推定を得るために、様々な断面を有する銅線（ρ＝１．６９・１０−８Ωｍ）からなる１つの円形誘導性素子（Ｎ＝１）から構成された共振器の最適なＱ及び共振周波数が計算され得る。そして、例えば、セル式携帯電話に適した、特性サイズｘ＝１ｃｍ、及び導体直径ａ＝１ｍｍの誘導性素子については、Ｑファクタは、ｆ＝３８０ＭＨｚの場合に、Ｑ＝１２２５でピークに達する。ｘ＝３０ｃｍ、及びａ＝２ｍｍの場合、誘導性素子のサイズがラップトップコンピュータ又は家庭用ロボットに適しており、ｆ＝１７ＭＨｚでＱ＝１１０３である。例えば、天井に配置され得る、より大きな供給源の誘導性素子の場合、ｘ＝１ｍ、及びａ＝４ｍｍであり、Ｑは、ｆ＝５ＭＨｚでＱ＝１３１５までなることができる。留意すべきは、多数の実際的な例は、λ／ｘ≒５０〜８０で、Ｑ≒１０００〜１５００の予想されるＱファクタを生じる。上述したものよりも多種多様のコイル形状、サイズ、材料、及び動作周波数の測定値は、Ｑ＞１００が、一般に入手可能な材料を用いた様々な磁気共振器構造に実現され得ることを示す。
上述したように、特性サイズｘ1及びｘ2、中心間の距離Ｄだけ離れた２つの共振器間でのエネルギー伝送の割合は、κにより与えられ得る。定義されたパラメータが如何にしてスケーリングされるかに関する例を与えるために、３つの距離Ｄ／ｘ＝１０、８、６において、上記からのセル式携帯電話、ラップトップコンピュータ、及び天井の共振器の例を考察する。ここで考察される例において、供給源およびデバイスの共振器は同じサイズｘ１＝ｘ２と形状であり、図１の（ｂ）に示されるように配置される。セル式携帯電話の例において、それぞれω／２κ＝３０３３、１５５３、６５５である。ラップトップコンピュータの例では、それぞれω／２κ＝７１３１、３６５１、１５４０であり、天井の共振器の例については、それぞれω／２κ＝６４８１、３３１８、１４００である。誘導性素子のＱがピークに達する周波数での対応する結合対損失率のピークは、上述した３つの誘導性素子のサイズと距離の場合、κ／Γ＝０．４、０．７９、１．９７及び０．１５、０．３、０．７２及び０．２、０．４、０．９４である。異なるサイズの誘導性素子を用いる例は、距離Ｄ＝３ｍ離れて（例えば、部屋の高さ）、ｘ１＝１ｍのインダクタ（例えば、天井の供給源）、及びｘ２＝３０ｃｍのインダクタ（例えば、床上の家庭用ロボット）である。この例において、最適な動作周波数ｆ＝６．４ＭＨｚにおいて、約１４％の効率について、強い結合の性能指数Ｕ＝κ／√Γ1Γ2＝０．８８である。ここで、最適なシステムの動作周波数は、個々の共振器のＱのピーク間にある。
誘導性素子は、高Ｑの磁気共振器用に形成され得る。本発明者は、表面を包囲する誘導性素子へ形成される、銅導体を用いた様々な高Ｑ磁気共振器を実証した。誘導性素子は、様々な形状に構成された様々な導体を用いて形成されることができ、任意のサイズ又は形状の領域を包囲し、単一のターン数又は複数のターン数の素子とすることができる。例示的な誘導性素子９００Ａ〜９００Ｂの図面が図９に示される。誘導性素子は、円形、長方形、正方形、三角形、丸みを帯びたかど（すみ）を有する形状、特定の構造またはデバイスの輪郭をたどる形状、構造またはデバイス内の専用空間をたどる、満たす、又は利用する形状などを包囲するように形成され得る。設計は、サイズ、コスト、重量、体裁、性能などに最適化され得る。
これらの導体は、所望のサイズ、形状、及びターン数へ曲げられ又は形成され得る。しかしながら、手動の技術を用いて正確に導体の形状およびサイズを複製することは困難である可能性がある。更に、誘導性素子の隣接するターンの導体セグメント間での均一な又は所望の中心間の間隔を維持することは困難である可能性がある。正確または均一な間隔は、例えば、構造の自己キャパシタンス、並びにＡＣ抵抗における任意の近接効果の誘導的増加を決定する際に重要である。
高Ｑ共振器の設計のためのインダクタ素子を複製するために、型が使用され得る。更に、型は、導体にねじれ、よじれ、又は場合によっては他の有害な影響を生じることなく、導体を任意の種類の形状へと正確に形作るために使用され得る。型は、インダクタ素子を形成するために使用されることができ、次いでインダクタ素子は、型から取り外され得る。ひとたび取り外されれば、これらの誘導性素子は、高Ｑ磁気共振器を収容することができる筐体またはデバイスへ組み込まれ得る。また又は代わりとして、形成された素子は、それらを形成するために使用された型に残存してもよい。
型は、標準的なＣＮＣ（コンピュータ数値制御）のルーティング又はフライス加工のツール、或いは切断またはブロックに溝を形成するための任意の他の知られた技術を用いて形成され得る。また又は代わりとして、型は、機械加工技術、射出成形技術、鋳造技術、鋳込み技術、真空技術、熱成形技術、カットインプレイス（cut-in-place）技術、圧縮成型技術などを用いて形成され得る。
形成された素子は、型から取り外されるか、又は型に残存してもよい。型は、誘導性素子の内側で変更され得る。型は、被覆され、機械加工され、取り付けられ、塗装などされ得る。型および導体の組合せは、別のハウジング、構造、デバイスに組み込まれ得る。型に切り込まれた溝は、任意の寸法とすることができ、導電管、ワイヤ、ストラップ、ストリップ、ブロックなどを所望の導体形状とサイズに形成するために設計され得る。
磁気共振器に使用される誘導性素子は、２つ以上のループを含むことができ、内側に又は外側に螺旋状に、又は螺旋状に上昇又は下降、又は幾つかの方向の組合せで螺旋状になることができる。一般に、磁気共振器は、様々な形状、サイズ、及びターン数を有することができ、様々な導電材料から構成され得る。
磁気共振器は、自立型とすることができるか、又は筐体、容器、スリーブ又はハウジング内に収容され得る。磁気共振器は、誘導性素子を作成するために使用された型を含むことができる。これらの様々な型および筐体は、ほぼ任意の種類の材料から構成され得る。テフロン、REXOLITE、スチレンなどのような低損失材料は、幾つかの用途に好適とすることができる。これらの筐体は、誘導性素子を保持する固定具を含むことができる。
磁気共振器は、銅ワイヤ又は銅管の自己共振コイルから構成され得る。自己共振導電性ワイヤコイルから構成された磁気共振器は、長さｌ、及び断面半径ａのワイヤを含み、そのワイヤは、半径ｘ、高さｈ、及びターン数Ｎの螺旋コイルへ巻かれ、それは、例えば、次のように特徴づけられ得る。
磁気共振器の構造は、ｘが約３０ｃｍ、ｈが約２０ｃｍ、ａが約３ｍｍ、及びＮが約５．２５であるように構成されることができ、動作中、磁気共振器に結合された電源が共振周波数ｆ（この場合、ｆは約１０．６ＭＨｚ）で共振器を駆動することができる。ｘが約３０ｃｍ、ｈが約２０ｃｍ、ａが約１ｃｍ、Ｎが約４である場合、共振器は周波数ｆ（この場合、ｆは約１３．４ＭＨｚ）で駆動され得る。ｘが約１０ｃｍ、ｈが約３ｃｍ、ａが約２ｍｍ、Ｎが約６である場合、共振器は周波数ｆ（この場合、ｆは約２１．４ＭＨｚ）で駆動され得る。
高Ｑ誘導性素子は、プリント回路基板のトレースを用いて設計され得る。プリント回路基板のトレースは、機械的に形成された誘導性素子に比べて、確立されたプリント回路基板の製作技術を用いて正確に複製され且つ容易に集積化され得ること、それらのＡＣ抵抗が特注設計された導体トレースを用いて低くされ得ること、及びそれらを大量生産するコストが大幅に低減され得ることを含む様々な利点を有することができる。
高Ｑ誘導性素子は、ＦＲ−４（エポキシＥガラス）、多機能エポキシ、高性能エポキシ、ビスマレイミドトリアジン／エポキシ、ポリイミド、シアネートエステル、ポリテトラフルオロエチレン（Teflon）、ＦＲ−２、ＦＲ−３、ＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、Rogers、Resoluteなどの任意のＰＣＢ材料に関する標準的なＰＣＢ技術を用いて製作され得る。導体トレースは、より低い損失正接を有するプリント回路基板材料で形成され得る。
導電トレースは、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケルなどから構成されることができ、塗料、インク又は他の硬化材料から構成されてもよい。回路基板は、フレキシブルとすることができ、フレックス回路とすることができる。導電トレースは、化学蒸着、エッチング、リソグラフィ、スプレー蒸着、切断加工（cutting）などにより形成され得る。導電トレースは、所望のパターンを形成するように付着されることができ、結晶および構造成長技術を用いて形成され得る。
導電トレースの寸法、並びに導電トレースを含む層の数、位置、係るトレースのサイズと形状、及びトレースを相互接続するための構造は、共振器のＱ、Ｑ(p)、共振器のサイズ、共振器の材料および製作コスト、Ｕ、Ｕ(p)などのような特定のシステム仕様を達成または最適化するために設計され得る。
一例として、図１０の（ａ）に示されるように、３ターンの高Ｑ誘導性素子１００１Ａが、長方形の銅トレースパターンを用いて４層プリント回路基板に製作された。銅トレースは黒色で示され、ＰＣＢは白色で示される。この例における銅トレースの幅と厚さはそれぞれ、約１ｃｍ（４００ミル）及び４３μｍ（１．７ミル）である。単一層上の導電トレースのターン間のエッジ間距離は、約０．７５ｃｍ（３００ミル）であり、基板の各層の厚さは、約１００μｍ（４ミル）である。図１０の（ａ）に示されたパターンは、基板の各層で繰り返され、導体は並列に接続される。３ループ構造の外側の寸法は、約３０ｃｍ×２０ｃｍである。このＰＣＢループの測定されたインダクタンスは、５．３μＨである。この誘導性素子および調整可能なキャパシタを用いる磁気共振器は、その設計された６．７８ＭＨｚの共振周波数において５５０のＱファクタＱを有する。共振周波数は、磁気共振器のインダクタンス及びキャパシタンスの値を変更することにより同調することができる。
別の例として、２ターンのインダクタ１００１Ｂが、図１０の（ｂ）に示された長方形の銅トレースパターンを用いて４層のプリント回路基板上に製作された。銅トレースは黒色で示され、ＰＣＢは白色で示される。この例における銅トレースの幅と高さはそれぞれ、約０．７５ｃｍ（３００ミル）及び４３μｍ（１．７ミル）である。単一層上の導電トレースのターン間のエッジ間距離は、約０．６３５ｃｍ（２５０ミル）であり、基板の各層の厚さは、約１００μｍ（４ミル）である。図１０の（ｂ）に示されたパターンは、基板の各層で繰り返され、導体は並列に接続される。２ループ構造の外側の寸法は、約７．６２ｃｍ×２６．７ｃｍである。このＰＣＢループの測定されたインダクタンスは、１．３μＨである。約０．６３５ｃｍ（２５０ミル）の垂直離隔距離で２つの基板を互いに積み重ね、直列に２つの基板を接続することにより、約３．４μＨのインダクタンスを有するＰＣＢインダクタが作成された。このスタック型インダクタループ及び調整可能なキャパシタを用いる磁気共振器は、その設計された６．７８ＭＨｚの共振周波数において３９０のＱファクタＱを有する。共振周波数は、磁気共振器のインダクタンス及びキャパシタンスの値を変更することにより同調することができる。
誘導性素子は、任意のサイズ、形状、厚さなどの磁性材料、及び広範囲の透磁率および損失の値を有する材料の磁性材料を用いて形成され得る。これら磁性材料は、中実のブロックとすることができ、中空の体積を包囲することができ、多くの小さい磁性材料のタイル片から形成または互いに積み重ねられることができ、高い導電材料から作成された導電シート又は筐体と一体化され得る。ワイヤは、近傍磁界を生成するために、磁性材料に巻き付けられ得る。これらのワイヤは、構造の１つの軸又は２つ以上の軸に巻き付けられ得る。複数のワイヤが、並列または直列で組み合わされて、又はカスタマイズされた近接場のパターンを形成するためにスイッチを介して、磁性材料に巻き付けられ得る。
磁気共振器は、３Ｆ３フェライト材料の１９．２ｃｍ×１０ｃｍ×５ｍｍのタイル状ブロックに１５ターン巻き付けられたリッツ線を含むことができる。リッツ線は、所望の共振器性能を達成するために、任意の方向または方向の組合せでフェライト材料に巻き付けられる。ワイヤのターン数、ターン間の間隔、ワイヤの種類、磁性材料のサイズと形状、及び磁性材料の種類は全て、様々な用途の状況に関して変化または最適化され得る設計パラメータである。
磁性材料構造を用いる高Ｑ磁気共振器
たとえ構造全体の或る程度のサイズの空隙を有するとしても、開磁路を形成するために組み立てられた磁性材料を用いて、磁気共振器構造を実現することができる。これらの構造において、高い導電性材料が、磁性材料から作成された構造体に巻き付けられて、磁気共振器の誘導性素子を形成する。キャパシタ素子は、高い導電性材料に接続され、次いで共振周波数が上述したように決定され得る。これら磁気共振器は、容量的に装荷されたインダクタループの共振器の場合のように、垂直でなくて二次元共振器構造の平面において双極子モーメントを有する。
たとえ構造全体の或る程度のサイズの空隙を有するとしても、開磁路を形成するために組み立てられた磁性材料を用いて、磁気共振器構造を実現することができる。これらの構造において、高い導電性材料が、磁性材料から作成された構造体に巻き付けられて、磁気共振器の誘導性素子を形成する。キャパシタ素子は、高い導電性材料に接続され、次いで共振周波数が上述したように決定され得る。これら磁気共振器は、容量的に装荷されたインダクタループの共振器の場合のように、垂直でなくて二次元共振器構造の平面において双極子モーメントを有する。
単一の平面共振器構造の図が図１１の（ａ）に示される。平面共振器構造は、フェライトのような磁性材料のコア１１２１から構築され、コア１１２１に巻き付けられた導電材料１１２２のループ（単数または複数）を有する。構造は、電力を伝送する供給源共振器として、及びエネルギーを捕らえるデバイス共振器として使用され得る。供給源として使用される場合、導体の両端部は電源に結合され得る。導体ループを流れる交流電流が交番磁界を生じさせる。構造が電力を受け取るために使用される場合、導体の両端部は、電力ドレイン又は負荷に結合され得る。変化する磁界が、コアの磁性材料に巻き付けられた導体のループ（単数または複数）に起電力を誘導する。これらタイプの構造の双極子モーメントは、構造体の平面内にあり、例えば、図１１の（ａ）の構造体のＹ軸に沿って方向付けられる。２つの係る構造体は、実質的に同じ平面内に配置される場合（即ち、図１１のＸ、Ｙ平面）、強い結合を有する。図１１の（ａ）の構造体は、共振器がＹ軸に沿って同じ平面に整列された場合に最も好適な方向を有する。
説明された平面共振器の幾何学的形状および結合の方向は、幾つかの用途に好適とすることができる。平面または平坦な共振器形状は、比較的平坦および平面である多くの電気デバイスに容易に組み込まれ得る。平面共振器は、デバイスの幾何学的形状の変更を必要とせずに、デバイスの全裏面または側面に組み込まれ得る。多くのデバイスの平坦な形状に起因して、表面上に配置されたデバイスの自然の位置は、それらが配置された表面に平行である最も大きい寸法で横たわることである。平坦なデバイスに組み込まれた平面共振器は、表面の平面に自然に平行であり、他のデバイスの共振器または平坦な表面に配置された平面共振器の供給源に対して好適な結合方向にある。
前述したように、平面共振器の幾何学的形状は、デバイスへのより容易な組み込みを可能にすることができる。これらの薄型により、共振器がデバイスの全側面へ又は全側面の一部として組み込まれることが可能になる。デバイスの全側面が共振器により覆われる場合、磁束は、デバイス又はデバイスの回路の一部である可能性がある損失性材料により妨害されずに、共振器のコアを流れることができる。
平面共振器構造のコアは、様々な形状および厚さからなることができ、最小寸法が構造の最も大きい寸法の３０％を超えないように、平坦または平面にすることができる。コアは、複雑な幾何学的形状を有することができ、くぼみ、切欠き、隆起部などを有することができる。幾何学的な増強が、方向に対する結合依存性を低減するために使用されることができ、デバイス、パッケージング、パッケージ、筐体、カバー、外板などへの組み込みを容易にするために使用され得る。コアの幾何学的形状の２つの例示的な変形形態が、図１１の（ｂ）に示される。例えば、平面コア１１３１は、導体の巻線のくぼみを形成するために、端部が構造体の中央部よりもかなり広くなるように形作られ得る。コア材料は、変化する厚さからなることができ、端部は、中央部よりも厚く且つ広い。コア材料１１３２は、導体ループ、ハウジング、パッケージングなどに適合するための様々な深さ、幅、及び形状の任意の数の切欠きまたは切開部１１３３を有することができる。
コアの形状および寸法は、組み込まれるデバイスの寸法および特徴により更に影響され得る。コア材料は、デバイスの輪郭に追従するように湾曲することができ、又はデバイスの部品の隙間を許すために、非対称の切欠きまたは切開部を必要とする場合がある。コアの構造は、磁性材料の単一のモノリシック片とすることができるか、又は大きな構造を形成するために互いに構成された複数のタイル、ブロック、又は部片から構成され得る。構造体の異なる層、タイル、ブロック、又は部片は同様のものからなることができ、又は異なる材料からなることができる。構造体の異なる場所には、異なる透磁率を有する材料を使用することが望ましい。異なる透磁率を有するコアの構造体は、磁束を誘導するために、結合を改善するために、システムの活性領域の形状または範囲に影響を及ぼすために役に立つことができる。
平面共振器構造体の導体は、コアに少なくとも１回巻き付けられ得る。或る特定の状況では、少なくとも３つのループで巻き付けることが好ましい場合がある。導体は、導電ワイヤ、リッツ線、導電管、シート、ストリップ、ゲル、インク、トレースなどを含む任意の適切な導体とすることができる。
供給源の活性領域のサイズ、形状、又は寸法は、磁界を阻止、遮蔽、又は誘導する材料を使用することにより、更に強化、変更、又は改良され得る。供給源の周りに非対称活性領域を生成するために、供給源の一方の側面が、磁気シールドで覆われて、特定の方向の磁界の強度を低減することができる。シールドは、導体することができるか、又は特定方向から離れるように磁界を誘導するために使用され得る磁性材料と導体の層状の組合せとすることができる。導体および磁性材料の層から構成された構造は、供給源の遮蔽に起因して生じる可能性があるエネルギー損失を低減するために使用され得る。
複数の平面共振器は、１つの平面共振器構造に一体化または組み合わされ得る。導体（単数または複数）は、２つの導体により形成されたループが同軸でないように、コア構造体に巻き付けられ得る。係る構造体の例が図１２に示され、この場合、２つの導体１２０１、１２０２が平面長方形コア１２０３に直交角度で巻き付けられている。コアは、長方形とすることができるか、又は幾つかの延長部分または突出部を有する様々な幾何学的形状を有することができる。突出部は、導体の巻き付け、重量、サイズ又はコアの質量の低減に役立つことができるか、又は共振器の指向性または全方向性を強化するために使用され得る。図１３において、４つの突出部を有する、複数の巻き付けられた平面共振器が、内部構造１３１０により示され、この場合、４つの導体１３０１、１３０２、１３０３、１３０４がコアに巻き付けられる。コアは、１つ又は複数の導体ループを有する、延長部分１３０５、１３０６、１３０７、１３０８を有することができる。単一の導体が、コアに巻き付けられて、同軸でないループを形成することができる。例えば、図１３の４つの導体ループは、連続した１本の導体で、又は２つの導体を用いて（この場合、単一の導体を用いて全て同軸のループを作成する）形成されることができる。
複数の導体ループを含む共振器の周りの不均一な又は非対称の場のプロファイルは、同一でないパラメータで幾つかの導体ループを駆動することにより生成され得る。複数の導体ループを有する供給源共振器の幾つかの導体ループは、異なる周波数、電圧、電力レベル、デューティサイクル、及び各導体により生成される磁界強度に影響を及ぼすために使用され得る全ての同様のもので、電源により駆動され得る。
平面共振器構造体は、平坦共振器構造を維持しながら供給源の上および下を含む、辺り一面に全方向性活性領域を提供するために、容量的に装荷されたインダクタ共振器コイルと組み合わせられ得る。図１３に示されるように、導体のループ（単数または複数）からなる追加の共振器ループコイル１３０９が、平面共振器構造体１３１０としての共通平面に配置され得る。外側共振器コイルは、供給源のほぼ上および下にある活性領域を提供する。共振器コイルは、ここに述べる任意の数の平面共振器構造体および構成で構成され得る。
平面共振器構造体は、磁気的に透過性のパッケージングに収容されるか、又は他のデバイスに組み込まれる。単一の共通平面内の共振器の平面形状は、平坦なデバイスへのパッケージング及び組み込みを可能にする。共振器の応用形態を示す図が図１４に示される。それぞれが１つ又は複数の導体ループを有する１つ又は複数の平面共振器１４１４からなる平坦な供給源１４１１が、他の平面共振器１４１５、１４１６と一体化され、且つ供給源の活性領域１４１７内に配置されたデバイス１４１２、１４１３へ電力を伝送することができる。デバイスは、供給源に対するデバイスの方向に関係なく、供給源の活性領域が変化しないように、複数の平面共振器を含むことができる。回転の位置合わせ不良に対する不変性に加えて、平面共振器からなる平坦なデバイスは、平面共振器が供給源の平面内に依然として存在するという理由で、活性領域に実質的に影響を与えずに、裏返されることができる。
平面共振器構造体を用いた電力伝送システムの可能な用途を示す別の図が、図１５に示される。表面１５２５の上に配置された平面供給源１５２１は、「付勢表面」の領域を生じる実質的な表面積に及ぶ活性領域を生成することができる。コンピュータ１５２４、携帯電話機１５２２、ゲーム、及びそれぞれの平面デバイス共振器に結合される他の電子装置１５２３のようなデバイスは、供給源の活性領域内に配置された場合に供給源からエネルギーを受け取ることができ、係るデバイスは表面の上のどこにでもいてもよい。異なる寸法を有する幾つかのデバイスが、活性領域内に配置されることができ、厳格な配置または位置合わせの制約を有せずに、供給源から充電または電力供給されながら普通に使用され得る。供給源は、テーブル、カウンタ、机、キャビネットなどの表面の下に配置されることができ、それにより供給源は、テーブル、カウンタ、机、キャビネットなどの表面の上を付勢し、供給源よりも非常に大きな表面に活性領域を生成しながら、完全に隠されることが可能になる。
供給源は、充電しているデバイスの方向またはどのデバイスが充電中であるか、充電に伴うエラー又は問題、電力レベル、充電時間などを示すために、ディスプレイ、又は他の可視的、聴覚的、又は振動的インジケータを含むことができる。
供給源共振器および回路は、任意の数の他のデバイスに組み込まれる。供給源は、時計、キーボード、モニタ、絵画用額縁などのようなデバイスに組み込まれる。例えば、平面共振器並びに適切な電力および制御回路と一体化されたキーボードは、任意の追加のデスクスペースを占有することなく、コンピュータマウス、ウェブカメラ、携帯電話機などのような、キーボードの周りに配置されたデバイスに対する供給源として使用される。
平面共振器構造体がモバイル機器に関連して説明したが、当業者には明らかなように、物理的な寸法を超えて延在する活性領域を有する無線電力伝送用の平坦な平面供給源は、多くの他の民生用および産業用の応用形態を有する。構造体および構成は、電子または電気装置および電源が一般に、実質的に同じ平面および位置合わせで、位置され、配置され、又は操作される非常に多数の応用形態に役に立つことができる。可能な応用形態の状況の幾つかは、壁、床、天井、又は任意の他の実質的に平坦な表面上にデバイスを含む。
平坦な供給源共振器は、絵画用額縁に組み込まれ、又は壁に掛けられることができ、それにより、デジタルピクチャフレーム、テレビ、照明などのような他の電子デバイスが取り付けられて、ワイヤなしで電力供給され得る壁の平面内に活性領域を提供する。平面共振器は、床に組み込まれることができ、結果として、付勢されている床または装置が電力を受け取るために配置され得る床上に活性領域を生じる。音声スピーカ、照明、ヒータなどは、活性領域内に配置されて、ワイヤレスで電力を受け取ることができる。
平面共振器は、導体に結合された追加の構成要素を有することができる。キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオードなどのような構成要素は、導体に結合されることができ、共振周波数および共振器のインピーダンスマッチングを調整または同調するために使用され得る。
図１１の（ａ）に示された、上述したタイプの平面共振器構造体は、例えば、１００のＱファクタＱ、又はより高い１０００以上のＱさえも有するように作成され得る。図１１の（ｃ）に示されるように、エネルギーは、１つの平面共振器構造体から別の共振器構造体へ、共振器の特性サイズより大きい距離にわたってワイヤレスで伝送され得る。
磁気共振器の誘導性素子に類似した特性を有する構造体を実現するために磁性材料を利用することに加えて、係る誘導性構造を実現するために良好な導体材料および磁性材料の組合せを使用することが可能である。図１６の（ａ）は、磁性材料の少なくとも１つの層により包囲され、磁性材料のブロック１６０４により連結された高い導電率の材料から作成された１つ又は複数の筐体（その内部は、外側で生じたＡＣ電磁界から遮蔽される）を含むことができる磁気共振器構造体１６０２を示す。
構造体は、磁性材料の層により一面に覆われた高い導電率の材料のシートを含むことができる。層状構造体は代わりに、電子デバイスの部品が高い導電率の磁性材料層により覆われることができると同時に、容易にアクセスされる必要がある他の部品（ボタン又は画面など）が覆われていない状態にされ得るように、電子デバイスに共形的（conformally）に適用され得る。又、それに代わって、構造体は、磁性材料の層またはバルク片のみを含むことができる。かくして、磁気共振器は、既存の機能を大幅に妨げることなく、且つ大規模な再設計を殆ど又は全く必要とせずに、既存のデバイスに組み込まれ得る。更に、良好な導体および／または磁性材料の層は、それらが完成したデバイスに余計な重量および体積を殆ど加えないほど十分に薄く（ミリメータ以下のオーダー）作成され得る。図１６において、構造体の中央の正方形ループにより示されるように、構造体に巻き付けられた一本の導体に印加される振動電流は、この構造体に関連した電磁界を生じさせるために使用され得る。
構造体の品質係数
上述したタイプの構造体は、約１０００以上の品質係数Ｑを有するように作成され得る。この高Ｑは、たとえ磁性材料の損失が高くても、磁性材料内の磁気エネルギーの割合が、物体に関連した全磁気エネルギーに比べて小さい場合に、可能である。導電材料および磁性材料の層からなる構造体の場合、導電材料の損失は、前述したように、磁性材料の存在により低減され得る。磁性材料の層の厚さがシステムの最も大きな寸法の１／１００のオーダーであり（例えば、磁性材料が約１ｍｍの厚さからなることができると同時に、構造体の面積が約１０ｃｍ×１０ｃｍである）、且つ相対透磁率が約１０００である構造体において、磁性材料内に含まれる磁気エネルギーの割合を、物体または共振器に関連した全磁気エネルギーの数１００分の１だけにすることが可能である。それが如何にして生じるかを見るために、留意すべきは、体積に含まれる磁気エネルギーの式が、以下の通りであり、
そのため、Ｂ（Ｈではなく）が磁性材料−空気の界面を横切って保存される主磁界である限り（典型的に開磁路での場合）、高μrの領域に含まれた磁気エネルギーの割合は、空気中にあるものと比べて大幅に低減され得る。
上述したタイプの構造体は、約１０００以上の品質係数Ｑを有するように作成され得る。この高Ｑは、たとえ磁性材料の損失が高くても、磁性材料内の磁気エネルギーの割合が、物体に関連した全磁気エネルギーに比べて小さい場合に、可能である。導電材料および磁性材料の層からなる構造体の場合、導電材料の損失は、前述したように、磁性材料の存在により低減され得る。磁性材料の層の厚さがシステムの最も大きな寸法の１／１００のオーダーであり（例えば、磁性材料が約１ｍｍの厚さからなることができると同時に、構造体の面積が約１０ｃｍ×１０ｃｍである）、且つ相対透磁率が約１０００である構造体において、磁性材料内に含まれる磁気エネルギーの割合を、物体または共振器に関連した全磁気エネルギーの数１００分の１だけにすることが可能である。それが如何にして生じるかを見るために、留意すべきは、体積に含まれる磁気エネルギーの式が、以下の通りであり、
そのため、Ｂ（Ｈではなく）が磁性材料−空気の界面を横切って保存される主磁界である限り（典型的に開磁路での場合）、高μrの領域に含まれた磁気エネルギーの割合は、空気中にあるものと比べて大幅に低減され得る。
磁性材料の磁気エネルギーの割合がfracにより示され、材料の損失正接がtanδである場合、共振器のＱは、磁性材料が損失の唯一の原因であると仮定すれば、Ｑ＝１／（fracｘtanδ）である。かくして、損失正接が０．１と大きくても、これらタイプの共振器構造体に対して約１０００のＱを達成することが可能である。
構造体がそれに巻き付けられたＮターンのワイヤで駆動される場合、励磁導体ループの損失は、Ｎが十分に大きい場合に無視され得る。図１７は、これら構造体の等価回路１７００の図、及び導電および磁性材料から作成された構造体にＮターン数巻き付けられた状態での、損失機構およびインダクタンスのスケーリングを示す。近接効果が無視され得る（適切な巻線または近接効果を最小限にするように設計されたワイヤ、例えばリッツ線などを用いることにより）場合、ループ導体のワイヤに起因した抵抗１７０２は、ターン数に比例する１ターンであるループの長さに線形的に比例する。他方では、これら特別の構造体の等価抵抗１７０８及び等価インダクタンス１７０４は、構造体の内部の磁界の二乗に比例する。磁界はＮに比例するので、等価抵抗１７０８及び等価インダクタンス１７０４は、Ｎ２に比例する。かくして、Ｎが十分に大きい場合、ワイヤの抵抗１７０２は、磁気構造体の等価抵抗１７０８よりも非常に小さくなり、共振器のＱはＱmax＝ωＬμ／Ｒμに漸近する。
図１６の（ａ）は、構造体１６０４の中央の狭くなった部分の周りの正方形ループの電流により駆動された銅および磁性材料構造体１６０２の図、及びこの構造体１６０８により生成される磁界の流線を示す。この例示的な構造体は、銅で包囲され、次いでμr’＝１４００、μr”＝５、及びσ＝０．５Ｓ／ｍの特性を有する磁性材料の２ｍｍの層で完全に覆われた２つの２０ｃｍ×８ｃｍ×２ｃｍの中空領域を含む。これら２つの平行六面体は、４ｃｍ離れて配置され、同じ磁性材料の２ｃｍ×４ｃｍ×２ｃｍのブロックにより接続される。励磁ループは、このブロックの中央に巻き付けられる。３００ＫＨｚの周波数において、この構造体は、計算された８９０のＱを有する。導体および磁性材料の構造体は、特定のシステムパラメータを最適化するように形作られ得る。例えば、励磁ループにより包囲された構造体のサイズは、励磁ループの抵抗を低減するために小さくすることができるか、又は大きな磁界に関連した磁性材料の損失を軽減するように大きくすることができる。留意すべきは、磁性材料のみからなる同じ構造体に関連した磁界の流線およびＱは、ここに示された層導体および磁性材料の設計に類似する。
他の物体と相互作用する電磁共振器
電磁共振器の場合、固有Ｑに摂動を与える外因性損失機構は、近くの外部物体の材料内部の吸収損失、及び近くの外部物体からの共振場の散乱に関連した放射損失を含むことができる。吸収損失は、対象となる周波数範囲にわたって非ゼロであるが、有限の導電率σ（又は同様に、誘電体誘電率の非ゼロで有限の虚数部）を有する材料に関連付けられることができ、そのため電磁界は、その材料に入り込むことができ、その材料内に電流を生じさせることができ、次いで抵抗損失を介してエネルギーが放散される。物体が少なくとも部分的に損失性材料を含む場合、それは損失性として記述され得る。
電磁共振器の場合、固有Ｑに摂動を与える外因性損失機構は、近くの外部物体の材料内部の吸収損失、及び近くの外部物体からの共振場の散乱に関連した放射損失を含むことができる。吸収損失は、対象となる周波数範囲にわたって非ゼロであるが、有限の導電率σ（又は同様に、誘電体誘電率の非ゼロで有限の虚数部）を有する材料に関連付けられることができ、そのため電磁界は、その材料に入り込むことができ、その材料内に電流を生じさせることができ、次いで抵抗損失を介してエネルギーが放散される。物体が少なくとも部分的に損失性材料を含む場合、それは損失性として記述され得る。
導電率σ、及び透磁率μの均質等方材料を含む物体を考察する。この物体の内部の電磁界の侵入深さは、浸透厚により与えられ、
である。物体の内部で消散される電力Ｐdは、以下の式により求められる。
ここで、本発明者は、オームの法則を使用し、Ｊ＝σＥであり、Ｅは電界であり、Ｊは電流密度である。
である。物体の内部で消散される電力Ｐdは、以下の式により求められる。
ここで、本発明者は、オームの法則を使用し、Ｊ＝σＥであり、Ｅは電界であり、Ｊは電流密度である。
対象となる周波数にわたって、物体を構成する材料の導電率σが、材料の浸透厚δが長いと考えられ得るほど十分に低い場合（即ち、δが物体の特性サイズよりも長い、又はδが損失性である物体の一部の特性サイズより長い）、電磁界Ｅ及びＨ（ここでＨは磁界である）は、物体内へ大幅に入り込むことができる。次いで、これら有限値の場は、Ｐd〜σＶ01〈｜Ｅ｜2〉としてスケーリングされる消散電力を生じさせることができ、ここで、Ｖ01は損失性である物体の体積であり、〈｜Ｅ｜2〉は、検討中の体積における電界の二乗の空間平均値である。従って、低い導電率の制限において、消散電力は、導電率に比例し、非導電（純粋に誘電体）材料の制限においてゼロに達する。
対象となる周波数にわたって、物体を構成する材料の導電率σが、材料の浸透厚が短いと考えられ得るほど十分に高い場合、電磁界Ｅ及びＨは、物体内へほんの短い距離だけ入り込むことができる（即ち、電磁界は材料の「表皮」の近くにとどまり、ここでδは損失性である物体の一部の特性厚さより小さい）。この場合、材料内に生じる電流は、材料の表面に非常に接近して、ほぼ浸透厚内に集中されることができ、それらの大きさは、表面電流密度（大部分は、入射電磁界の形状により求められ、導体の厚さが浸透厚より大幅に大きい限り、周波数に無関係であり、一次までの導電率）Ｋ（ｘ、ｙ）（ここで、ｘとｙは表面をパラメータ化する座標である）と表面内への指数関数的に減衰する関数、即ちexp（−ｚ／δ）／δ（ここで、ｚは、表面に局所的に垂直な座標を示す）の積により近似されることができ、即ちＪ（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｋ（ｘ、ｙ）exp（−ｚ／δ）／δである。次いで、消散電力Ｐdは、以下の式により概算される。
従って、高い導電率の限界において、消散電力は、導電率の平方根に反比例し、完全に導電する材料の限界においてゼロに達する。
対象となる周波数にわたって、物体を構成する材料の導電率σが有限である場合、材料の浸透厚δが物体内へ或る距離だけ入り込み、電力の或る量が、物体のサイズおよび電磁界の強度にも依存して物体内で消散され得る。また、この説明は、物体内の導電率の任意の不均一で異方性の分布を有する物体のような、異なる特性および導電率を有する多数の異なる材料を含む物体の一般的な場合を説明するためにも一般化され得る。
留意すべきは、上述した損失機構の大きさは、共振器の場に対する外部物体の場所および方向、並びに外部物体の材料組成に依存する可能性がある。例えば、高導電率の材料は、共振器の共振周波数をシフトし、他の共振物体からそれを同調ずれさせる可能性がある。この周波数シフトは、共振器のインダクタンス及び／又はキャパシタンスの変化を通じてのように、周波数を補正するフィードバック機構を共振器に適用することにより固定され得る。これらの変化は、可変キャパシタ及びインダクタを用いて実現されることができ、場合によっては共振器の構成要素の幾何学的形状の変化により達成され得る。また、以下で説明される他の新規なチューニング機構を用いて、共振器の周波数を変更することもできる。
外因性損失が高い場合、パーターブドＱは低くなり、係る外部物体および材料の内部の共振器エネルギーの吸収を制限するために措置が講じられ得る。電界および磁界の強度に対する消散電力の関数依存性の故に、システム性能は、所望の結合が供給源共振器においてより短い及びデバイス共振器においてより長いエバネセント共振場の末端で達成されるようにシステムを設計することにより最適化されることができ、その結果、他の物体の存在する状態での供給源のパーターブドＱが最適化される（又はデバイスのパーターブドＱが最適化される必要がある場合には逆もまた同じである）。
留意すべきは、人々、動物、植物、建築材料などのような多くの一般的な外部材料および物体は、低い導電率を有することができ、それ故にここに開示された無線エネルギー伝送方法に殆ど影響を及ぼさない。本発明者が説明する磁気共振器設計に関連した重要な事実は、それらの電界が共振器構造自体内に主として閉じ込められることができ、そのため中距離にわたって無線電力交換を提供しながら、人の安全に関する一般に認められた指針内で動作することが可能である。
相互作用を低減した電磁共振器
近接場無線電力送信の対象となる１つの周波数範囲は、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。この周波数範囲において、例えば幾つかのタイプの木材およびプラスチックのような多種多様の通常の非金属材料は、比較的低い導電率を有することができ、そのため電力の僅かな量しかそれらの内部で消散されない。更に、低い損失正接tanΔを有する材料（ここで、tanΔ＝ε”／ε’、ε”及びε’はそれぞれ誘電率の虚数部と実数部である）でも、それらの内部で消散される電力は僅かな量でしかない。銅、銀、金などのような、比較的高い導電率を有する金属材料でも、それらの内部で消散される電力は僅かであり、その理由は、前述したように、電磁界がこれらの材料に大幅に入り込むことができないからである。これら非常に高い及び非常に低い導電率材料、並びに低い損失正接の材料および物体では、磁気共振器の損失に対する影響は無視しても構わない。
近接場無線電力送信の対象となる１つの周波数範囲は、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。この周波数範囲において、例えば幾つかのタイプの木材およびプラスチックのような多種多様の通常の非金属材料は、比較的低い導電率を有することができ、そのため電力の僅かな量しかそれらの内部で消散されない。更に、低い損失正接tanΔを有する材料（ここで、tanΔ＝ε”／ε’、ε”及びε’はそれぞれ誘電率の虚数部と実数部である）でも、それらの内部で消散される電力は僅かな量でしかない。銅、銀、金などのような、比較的高い導電率を有する金属材料でも、それらの内部で消散される電力は僅かであり、その理由は、前述したように、電磁界がこれらの材料に大幅に入り込むことができないからである。これら非常に高い及び非常に低い導電率材料、並びに低い損失正接の材料および物体では、磁気共振器の損失に対する影響は無視しても構わない。
しかしながら、対象となる周波数範囲において、適度な（一般に不均一で異方性）導電率、及び／又は適度から高い損失正接を有することができ、比較的高い消散的損失を有することができる、幾つかの電子回路および幾つかのより低い導電率の金属のような材料および物体が存在する。比較的大きな量の電力がそれらの内部で消散され得る。これら材料および物体は、かなりの量でＱ(p)を低減するのに十分なエネルギーを消散し、「損失性物体」と称される。
共振器のＱ(p)に関して損失性材料の影響を低減するための１つの方法は、共振器の場が損失性物体を避けるように、共振器の場を形作るために高い導電率材料を使用することである。電磁界がそれらの近傍において損失性物体を避けるように電磁界を調整するために高い導電率の材料を使用することに関するプロセスは、電磁界を偏向させる又はその形を作り直す材料として高い導電率の材料を視覚化することにより理解され得る。この画像は、導体の厚さが浸透厚より大きい限り定性的に正しく、その理由は、良好な導体の表面における電磁界の境界条件が、電界を強制的にほぼ完全に導体表面に垂直にさせ、磁界を強制的に導体表面にほぼ完全に正接させるからである。従って、垂直な磁界または正接の電界は導体表面から「離れるように偏向」する。更に、正接の磁界または垂直な電界でさえも、場の供給源および導電性表面の相対位置に依存して、一面および／または導電表面の特定の場所での大きさが強制的に減少され得る。
一例として、図１８は、周波数ｆ＝６．７８ＭＨｚの外部の初期均一磁界において、損失性誘電体材料１８０４の上下の２つの高い導電率表面１８０２に関する有限要素法（ＦＥＭ）のシミュレーションを示す。系は、ｒ＝０軸の周りに方位角的に対称である。このシミュレーションにおいて、損失性誘電体材料１８０４が、約ｚ＝±０．０１ｍにおいて白線として示された２つの導体１８０２の間に挟まれている。誘電体ディスクの上下に導電表面がない状態では、磁界（磁力線を描くことにより表される）は、本質的に均一の状態のままであり（磁力線は直線であり、ｚ軸に平行）、磁界が損失性誘電体材料を真っ直ぐに通過することが示される。この場合、電力は、損失性誘電体ディスクで消散される。しかしながら、導電表面の存在する状態では、このシミュレーションは、磁界の形が作り直されることを示す。磁界は、強制的に導体の表面に正接するようにされ、そのためこれらの導電表面１８０２の周りに偏向し、導電表面の裏、又は導電表面間の損失性誘電体材料１８０４に消散され得る電力の量が最小限にされる。ここに使用される場合、電気的対称性の軸は、一定または時間変化する電界または磁界が、ここに開示されたようなエネルギーの交換中に実質的に対称である任意の軸を意味する。
同様な効果は、誘電体ディスクの上または下に１つの導電表面だけが使用された場合でも観測される。誘電体ディスクが薄い場合、電界が表面において実質的にゼロであり、それに接近して連続的で平滑であるという事実は、電界が表面の近くのどこででも（即ち、誘電体ディスク内で）非常に低いことを意味する。損失性物体から離れるように共振器の場を偏向するための単一表面の具現化形態は、損失性材料または物体（例えば、ＬＣＤ画面）の両面を覆うことができない応用形態に好適とすることができる。留意すべきは、多少の浸透厚のオーダーでの導電材料の非常に薄い表面でさえも、損失性材料の存在する状態での共振器のＱ(p)を大幅に改善するのには十分とすることができる（６．７８ＭＨｚでの純銅の表皮深さは〜２０μｍ、２５０ｋＨｚでは〜１００μｍ）。
損失性外部材料および物体は、高Ｑ共振器が一体化されるべき装置の部品とすることができる。これら損失性材料および物体におけるエネルギーの消散は、以下を含む多数の技術により、即ち、
・損失性材料および物体を共振器から離して、又は共振器に対する特定の位置および方向で配置することにより、
・共振器の近傍の損失性材料および物体を部分的または完全に覆うために高導電率の材料または構造を用いることにより、
・損失性物体を完全に覆うために、及び共振器の場が損失性物体を避けるように共振器の場を形作るために損失性物体の周りに高導電率の材料の閉じた面（例えば、シート又はメッシュなど）を配置することにより、
・物体または材料の上面、底面に沿って、側面に沿ってなどのように、損失性物体の一部のみの周りに高導電率の材料の表面（例えば、シート又はメッシュなど）を配置することにより、
・損失性物体の場所において場の強度を低減するために損失性物体の上または下または一面に高導電率の材料の単一表面（例えば、シート又はメッシュなど）でさえも配置することにより、
低減され得る。
・損失性材料および物体を共振器から離して、又は共振器に対する特定の位置および方向で配置することにより、
・共振器の近傍の損失性材料および物体を部分的または完全に覆うために高導電率の材料または構造を用いることにより、
・損失性物体を完全に覆うために、及び共振器の場が損失性物体を避けるように共振器の場を形作るために損失性物体の周りに高導電率の材料の閉じた面（例えば、シート又はメッシュなど）を配置することにより、
・物体または材料の上面、底面に沿って、側面に沿ってなどのように、損失性物体の一部のみの周りに高導電率の材料の表面（例えば、シート又はメッシュなど）を配置することにより、
・損失性物体の場所において場の強度を低減するために損失性物体の上または下または一面に高導電率の材料の単一表面（例えば、シート又はメッシュなど）でさえも配置することにより、
低減され得る。
図１９は、磁気共振器１０２を形成する容量的に装荷されたループインダクタ、及びループインダクタの内部に配置された損失性物体１８０４を完全に取り囲む高導電率材料のディスク状表面１８０２を示す。留意すべきは、幾つかの損失性物体は、外部環境と相互作用、外部環境と通信、又は外部環境に接続される必要があり、ひいては電磁的に完全に分離されることができない電子回路のような構成要素とすることができる。高導電率材料で損失性材料を部分的に覆うことは、損失性材料または物体が適切に機能することを可能にしながら、依然として外因性損失を低減することができる。
図２０は、共振器１０２として使用される容量的に装荷されたループインダクタ、及びインダクタループの内部に配置され、損失性物体１８０４の一部のみを取り囲む高導電率材料の表面１８０２を示す。
損失性物体または材料の上に、下に、又は側面などに高導電率材料の単一表面を配置することにより、外因性損失は低減され得るが、完全には除去されることができない。一例が図２１に示され、この場合、容量的に装荷されたループインダクタが共振器１０２として使用され、高導電率材料の表面１８０２がインダクタループの内部で損失性物体１８０４の下に配置され、損失性物体の場所において場の強度を低減する。コスト、重量、組立の複雑化、空気の流れ、視覚的アクセス、物理的アクセスなどを考慮するという理由で、材料または物体の一面のみを覆うことが好適である。
高導電率材料の単一表面を用いて、両面から覆われることができない又は覆われるべきでない物体（例えば、ＬＣＤ画面またはプラズマ画面）を避けることができる。係る損失性物体は、光学的に透明な導体を用いて避けられ得る。光学的に透明な導体の代わりに、又はそれに加えて、高導電率の光学的に不透明な材料が損失性物体の一部のみに代わりとして配置されてもよい。片面対複数面の覆いの具現化形態の妥当性、及び内部固有の設計のトレードオフは、無線エネルギー伝送状況の細部、及び損失性材料および物体の特性に依存する可能性がある。
以下において、無線エネルギー伝送システムで使用される集積磁気共振器のＱ無感受性Θ(p)を改善するために、高導電率表面を用いる例が説明される。図２２はワイヤレスプロジェクタ２２００を示す。ワイヤレスプロジェクタは、図示されたように構成されたデバイス共振器１０２Ｃ、プロジェクタ２２０２、無線ネットワーク／ビデオアダプタ２２０４、及び電力変換回路２２０８を含むことができる。デバイス共振器１０２Ｃは、表面を包囲するように構成された３ターンの導体ループ、及びキャパシタ回路２２１０を含むことができる。導体ループは、デバイス共振器１０２Ｃがその動作共振周波数において高いＱ（例えば、＞１００）を有するように設計され得る。完全なワイヤレスプロジェクタ２２００に集積化（一体化）する前に、このデバイス共振器１０２Ｃは、設計された６．７８ＭＨｚの動作共振周波数で約４７７のＱを有する。集積化、及び共振器ループインダクタの中央に無線ネットワーク／ビデオアダプタカード２２０４を配置した後で、共振器のＱ(integrated)は約３４７まで減少する。ＱからＱ(integrated)までの少なくとも幾つかの減少は、摂動を与える（パータービング）無線ネットワーク／ビデオアダプタカードの損失に起因すると考えられる。上述したように、磁気共振器１０２Ｃに関連した電磁界は、無線ネットワーク／ビデオアダプタカード２２０４に電流を生じさせる可能性があり、係る電流は当該カードを構成する損失性材料の抵抗損失で消散され得る。共振器のＱ(integrated)が、共振器の近傍に配置された物体および材料の組成、位置、及び方向に依存して、異なるように影響されることを、本発明者は観測した。
完全なワイヤレスプロジェクタの例において、ネットワーク／ビデオアダプタカードを薄い銅のポケット（無線ネットワーク／ビデオアダプタカードの上面と底面を覆うが、通信アンテナを覆わない銅の折り畳まれたシート）で覆うことは、磁気共振器のＱ(integrated)を約４４４のＱ(integrated+copper pocket)まで改善する。言い換えれば、外部ネットワーク／ビデオアダプタカードにより生じた摂動に起因したＱ(integrated)の減少の大部分は、損失性材料から離れるように共振器の場を偏向するために銅ポケットを用いて防止され得る。
別の完全なワイヤレスプロジェクタの例において、ネットワーク／ビデオアダプタカードの下に配置された単一の銅シートでネットワーク／ビデオアダプタカードを覆うことにより、Ｑ(integrated+copper sheet)は、ほぼＱ(integrated+copper pocket)に等しくされる。この例において、システムの高いパーターブドＱは、損失性アダプタカードから離れるように共振器の場を偏向するために使用される単一の高導電率シートで維持され得る。
高Ｑ電磁共振器を含む装置の一部である損失性材料または物体を、共振器により生じた場が比較的弱く、そのため電力がこれらの物体で殆ど又は全く消散されず、Ｑ無感受性Θ(p)を大きくすることができる場所に配置することは有利であるかもしれない。前に示されたように、異なる導電率の材料は、電界対磁界に異なるように応答することができる。従って、外部物体の導電率によれば、位置決め技術は、一方または他方の場に限定され得る。
図２３は、円形ループインダクタの直径を含むラインに沿った電界２３１２及び磁界２３１４、並びに１０ＭＨｚの共振で半径３０ｃｍの容量的に装荷された円形ループインダクタのワイヤのループインダクタの軸に沿った電界２３１８及び磁界２３２０の大きさを示す。共振近接場の振幅が、ワイヤの近くでそれらの最大値に達し、ループから離れるように減衰すること（２３１２、２３１４）が看取され得る。ループインダクタの平面において、場２３１８、２３２０がループの中央で極小に到達する。従って、装置の有限サイズを考えると、場は装置の極値で最も弱くなるかもしれない、又は場の大きさは、装置内のどこかで極小を有するかもしれない。この議論は、任意の他のタイプの電磁共振器１０２及び任意のタイプの装置に当てはまる。例が、図２４の（ａ）と（ｂ）に示され、この場合、容量的に装荷されたインダクタループが磁気共振器１０２を形成し、外因性損失性物体１８０４は、電磁界が最小限の大きさを有する場所に配置される。
実証例において、磁気共振器は、正方形表面（丸みを帯びた角を有する）を包囲するように構成された３ターンの導体ループおよびキャパシタ回路を用いて形成された。共振器のＱは、所望の動作共振周波数６．７８ＭＨｚで約６１９であった。この共振器のパーターブドＱは、摂動を与える（パータービング）物体の配置（この場合、共振器に対するポケットプロジェクタ）に依存した。摂動を与える（パータービング）プロジェクタがインダクタループの内部およびその中央に、又はインダクタワイヤの巻線の上に位置する場合、Ｑ(projector)は約９６であり、それは、摂動を与えるプロジェクタが共振器の外側に配置された場合（Ｑ(projector)は約５１３である）より低い。これらの測定値は、インダクタループの内側の場がその外側の場より大きく、そのため係るループインダクタの内部に配置された損失性物体は、損失性物体がループインダクタの外側に配置された場合に比べて、システムのより低いパーターブドＱを生じることができることを示す分析をサポートする。共振器設計および材料組成および損失性物体の方向に依存して、図２４の（ｂ）に示された構成は、図２４の（ａ）に示された構成に比べて、より高いＱ無感受性Θ(projector)を生じることができる。
高Ｑ共振器は、装置の内部に組み込まれ得る。高い誘電体誘電率、透磁率、又は導電率の外部材料および物体は、高Ｑ共振器が組み込まれるべき装置の一部とすることができる。高Ｑ電磁共振器の近傍のこれら外部材料および物体については、それらのサイズ、共振器に対する位置と方向に依存して、共振器の場のプロファイルは、共振器の摂動を与えられていない元の場のプロファイルから大幅に歪まされ逸脱され得る。共振器の摂動を与えられていない（アンパーターブド）場の係る歪みは、外部物体および材料が無損失であっても、Ｑをより低いＱ(p)まで大幅に低減する可能性がある。
高Ｑ電磁共振器を含む装置の一部である高導電率物体を、これら物体の表面ができる限り、摂動を与えられていない共振器により生じる電気力線に垂直になり、且つ摂動を与えられていない共振器により生じる磁力線に平行になるような方向に配置し、かくして実現可能な最も少ない量で共振器の場のプロファイルを歪ませるのが有利である。磁気共振器の平面に垂直に配置され得る他の一般的な物体は、スクリーン（ＬＣＤ、プラズマ等）、バッテリー、ケース、コネクタ、放射アンテナなどを含む。共振器のＱ無感受性Θ(p)は、物体が共振器の場に対して異なる方向に配置される場合よりも非常に大きくすることができる。
高Ｑ電磁共振器を含む集積化装置の一部でない損失性外部材料および物体は、例えば、装置の使用中に共振器の近傍に配置され得るか、又は持って来られ得る。特定の状況において、損失性外部物体が位置する又は導入される領域を、共振器の場が避けるように共振器の場を調整するために高導電率材料を使用することが有利であり、それによりこれら材料および物体の電力消散が低減され、Ｑ無感受性Θ(p)が増加される。一例が図２５に示され、この場合、容量的に装荷されたループインダクタ及びキャパシタが共振器１０２として使用され、高導電率材料の表面１８０２がインダクタループの上に配置されて、損失性外部物体１８０４が配置または導入され得る、共振器上の領域の場の大きさが低減される。
留意すべきは、場の形を作り直すために共振器の近傍にもたらされた高導電率表面も、Ｑ(cond.surface)＜Ｑにつながることができる。パーターブドＱの減少は、損失性導体の内部のエネルギーの消散、又は導体の表面における場の境界条件のマッチングに関連した、摂動を与えられていない共振器の場のプロファイルの歪みに起因する。従って、高導電率表面を用いて、外因性損失性物体の内部の消散に起因した外因性損失を低減する、場合によっては、特に、電磁界の形を大幅に作り直すことにより、これが達成される外因性損失の一部において低減することができるが、場が損失性物体を避けるように係る高導電率表面を用いることは、所望の結果Ｑ(p+cond.surface)＞Ｑ(p)ではなくて、事実上Ｑ(p+cond.surface)＜Ｑ(p)という結果になる。
上述したように、損失誘発物体の存在する状態で、磁気共振器のパーターブドＱファクタは、電磁共振器に関連した電磁界の形が損失誘発物体を避けるために作り直される場合に、改善され得る。摂動を与えられていない共振器の場の形を作り直すための別の方法は、高透磁率材料を用いて損失誘発物体を完全に又は部分的に包囲または覆い、それにより損失誘発物体と磁界の相互作用を低減することである。
磁界遮蔽は、例えば、Jackson著、「Electrodynamics 3rd Ed.」pp.201-203に従来説明されている。そこでは、磁気的透過性材料の球状シェルが示され、外部磁界からその内部が遮蔽される。例えば、内側半径ａ、外側半径ｂ、及び相対的透磁率μrのシェルが最初は均一な磁界Ｈ０に配置される場合、シェルの内部の場は、一定の大きさ、９μrＨ0／［（２μr＋１）（μr＋２）−２（ａ／ｂ）3（μr−１）2］を有し、それは、μr≫１の場合、９Ｈ0／２μr（１−（ａ／ｂ）3）に向かう。この結果は、シェルが極めて薄い場合でさえも、透磁率が十分に高い場合には、入射磁界（必ずしも入射磁界ではないが）がシェルの内部で著しく減衰され得ることを示す。特定の状況において、損失性材料および物体が共振器の磁界により避けられるように、及び電力がこれらの材料よび物体で殆ど又は全く消散されないように、損失性材料および物体を部分的に又は完全に覆うために高い透磁率材料を用いることは有利である。係る手法において、Ｑ無感受性Θ(p)は、材料および物体が覆われていない場合に比べて、大きくなることができ、場合によっては１より大きい。
損失誘発物体から離れるように電界および磁界を保持することが望ましい。上述されたように、係る態様において場を形作るための１つの方法は、損失誘発物体を完全に又は部分的に包囲または覆うために高導電率表面を使用することである。磁性材料（ゼロでない透磁率を有する任意の材料またはメタマテリアル）とも呼ばれる磁気的透過性材料の層は、高導電率表面の上に又はその周りに配置され得る。磁性材料の追加の層は、偏向した磁界が追従する、より低い磁気抵抗経路（自由空間に比べて）を提供することができ、その下の導体を入射磁束から部分的に遮蔽することができる。この構成は、高導電率表面に生じた電流に起因する損失を低減することができる。ある状況下では、磁性材料により提供される、より低い磁気抵抗経路は、構造体のパーターブドＱを改善することができる。
図２６の（ａ）は、ｚ軸に沿って最初は均一に外部から印加された磁界（灰色の力線）にさらされた、薄い導電（銅）ディスク２６０４（直径２０ｃｍ、高さ２ｃｍ）の軸対称ＦＥＭシミュレーションを示す。対称軸は、ｒ＝０にある。示された磁気的流線は、ｚ＝−∞で発し、この場合、これらはｒ＝３ｃｍからｒ＝１０ｃｍまで１ｃｍの間隔で配置される。軸の目盛りはメートルである。例えば、図１９に示されたような無線エネルギー伝送システムにおいて、この導電円筒が、磁気共振器により閉じ込められた領域内に損失誘発物体を包囲することを想像されたい。
この高導電率筐体は、損失性物体のパータービングＱ、それ故にシステムの全体のパーターブドＱを増大させるが、導電表面に生じた損失および電磁界のプロファイルに対する変化故に、当該パーターブドＱは、依然としてアンパーターブドＱ未満であることができる。高導電率筐体に関連したパーターブドＱの減少は、高導電率筐体の外面または表面に沿って磁性材料の層を含むことにより少なくとも部分的に回復され得る。図２６の（ｂ）は、図２６の（ａ）から薄い導電（銅）ディスク２６０４（直径２０ｃｍ、高さ２ｃｍ）の軸対称ＦＥＭシミュレーションを示すが、磁性材料の追加の層が高導電率筐体の外面に直に配置されている。留意すべきは、磁性材料の存在は、より低い磁気抵抗の経路を磁界に提供することができ、それにより下にある導体を少なくとも部分的に遮蔽し、導体に生じた渦電流に起因した損失を低減する。
図２７は、図２６に示されたシステムに対する変形形態（軸対称の図において）を示し、この場合、損失性材料２７０８の全てが高導電率表面２７０６により覆われているとは限らない。特定の状況において、コスト、重量、組立の複雑化、空気の流れ、視覚的アクセス、物理的アクセスなどの考慮事項に起因するように、材料または物体の一面のみを覆うことが有用であるかもしれない。図２７に示された例示的な構成において、損失性材料２７０８の１つの表面のみが覆われて、共振器のインダクタループが高導電率表面の反対側に配置される。
数学的モデルを用いて、磁気共振器により閉じ込められた領域内に配置された、銅から作成され、直径２０ｃｍ、高さ２ｃｍの円筒形ディスクのように形作られた高導電率筐体をシミュレートし、当該磁気共振器は、ループ半径ｒ＝１１ｃｍ、ワイヤの半径ａ＝１ｍｍの単一ターンのワイヤループである誘導性素子を有する。適用される６．７８ＭＨｚの電磁界のシミュレーションは、この高導電率筐体のパータービング品質係数δＱ(enclosure)が１８７０であることを示す。高導電率筐体が、実数の相対透磁率μ’ｒ＝４０、及び虚数の相対透磁率μ”ｒ＝１０−２を有する磁性材料の０．２５ｃｍ厚の層を含むように変更された場合、シミュレーションは、パータービング品質係数がδＱ(enclosute+magnetic material)＝５０６０まで増加することを示す。
磁性材料２７０２の薄い層の追加に起因した性能の改善は、高導電率筐体が共振器のループインダクタ２７０４により閉じ込められた領域のより大きい部分を占める場合には、更に劇的である。上記の例において、インダクタループ２７０４の半径が低減され、そのためそれが高導電率筐体の表面から３ｍｍだけ離れる場合、パータービングＱファクタは、筐体の外側の周りに磁性材料２７０２の薄い層を追加することにより、６７０（導電筐体のみ）から２７３０（磁性材料の薄い層を有する導電筐体）まで改善され得る。
共振器構造体は、一般に損失を生じさせる材料に共振器が非常に接近している場合でさえも、例えば、高い水準をもたらすことができる遮蔽または分布キャパシタを用いて高度に閉じ込められた電界を有するように設計され得る。
結合電磁共振器
２つの共振器間のエネルギー伝送の効率は、強い結合の性能指数、
により求められる。磁気共振器の具現化形態において、２つの共振器間の結合係数は、共振器のそれぞれの誘導性素子のインダクタンスＬ1及びＬ2、及びそれらの間の相互インダクタンスＭに、κ12＝ωＭ／２√Ｌ1Ｌ2により関連付けられる。留意すべきは、この式は、電気双極子結合を介した無視できる結合が存在すると仮定する。インダクタが円形導電ループによりＮターンで形成され、図１の（ｂ）に示されたように距離Ｄだけ離されて配向されている、容量的に装荷されたインダクタループの共振器の場合、相互インダクタンスは、Ｍ＝π／４・μ0Ｎ1Ｎ2（ｘ1ｘ2）2／Ｄ3であり、ここでｘ1、Ｎ1及びｘ2、Ｎ2はそれぞれ、第１及び第２の共振器の導体ループの特性サイズ及びターン数である。留意すべきは、これは準静的な結果であり、そのため共振器のサイズが波長よりも非常に小さく、共振器の距離が波長よりも非常に小さいが、それらの距離が少なくともそれらのサイズの数倍であることが仮定される。上述したように、準静的制限及び中距離で動作されたこれら円形共振器の場合、次のようになる。
中距離における共振器間の強い結合（大きいＵ）は、共振器のＱファクタが中距離において小さいｋを補償するほど十分に大きい場合に確立され得る。
２つの共振器間のエネルギー伝送の効率は、強い結合の性能指数、
により求められる。磁気共振器の具現化形態において、２つの共振器間の結合係数は、共振器のそれぞれの誘導性素子のインダクタンスＬ1及びＬ2、及びそれらの間の相互インダクタンスＭに、κ12＝ωＭ／２√Ｌ1Ｌ2により関連付けられる。留意すべきは、この式は、電気双極子結合を介した無視できる結合が存在すると仮定する。インダクタが円形導電ループによりＮターンで形成され、図１の（ｂ）に示されたように距離Ｄだけ離されて配向されている、容量的に装荷されたインダクタループの共振器の場合、相互インダクタンスは、Ｍ＝π／４・μ0Ｎ1Ｎ2（ｘ1ｘ2）2／Ｄ3であり、ここでｘ1、Ｎ1及びｘ2、Ｎ2はそれぞれ、第１及び第２の共振器の導体ループの特性サイズ及びターン数である。留意すべきは、これは準静的な結果であり、そのため共振器のサイズが波長よりも非常に小さく、共振器の距離が波長よりも非常に小さいが、それらの距離が少なくともそれらのサイズの数倍であることが仮定される。上述したように、準静的制限及び中距離で動作されたこれら円形共振器の場合、次のようになる。
中距離における共振器間の強い結合（大きいＵ）は、共振器のＱファクタが中距離において小さいｋを補償するほど十分に大きい場合に確立され得る。
磁気共振器に関して、２つの共振器が導電部品を含む場合、結合機構は、他方から生じた電界と磁界に起因して電流が一方の共振器に生じることができる。結合係数は、第２の共振器の高Ｑ誘導性素子の囲まれた領域を横切る、第１の共振器の高Ｑ誘導性素子から生じた磁界の磁束に比例することができる。
相互作用を低減した結合電磁共振器
前述したように、高導電率材料の表面は、共振器の場が共振器の近傍の損失性物体ｐを避けることにより、共振器の全体的な外因性損失を低減および高いＱ無感受性Θ(p+cond.surface)を維持するように、共振器の場を形作るために使用され得る。しかしながら、係る表面は、パーターブド結合係数ｋ(p)より小さく、且つサイズ、位置、及び共振器に対する高導電率材料の方向に依存する、共振器間のパーターブド結合係数ｋ(p+cond.surface)もまねく可能性がある。例えば、高導電率材料が平面内に配置され、且つ無線エネルギー伝送システムにおける少なくとも１つの磁気共振器の誘導性素子により閉じ込められた領域内に配置される場合、結合に介在する共振器の領域を通る磁束の一部が阻止され、ｋが低減され得る。
前述したように、高導電率材料の表面は、共振器の場が共振器の近傍の損失性物体ｐを避けることにより、共振器の全体的な外因性損失を低減および高いＱ無感受性Θ(p+cond.surface)を維持するように、共振器の場を形作るために使用され得る。しかしながら、係る表面は、パーターブド結合係数ｋ(p)より小さく、且つサイズ、位置、及び共振器に対する高導電率材料の方向に依存する、共振器間のパーターブド結合係数ｋ(p+cond.surface)もまねく可能性がある。例えば、高導電率材料が平面内に配置され、且つ無線エネルギー伝送システムにおける少なくとも１つの磁気共振器の誘導性素子により閉じ込められた領域内に配置される場合、結合に介在する共振器の領域を通る磁束の一部が阻止され、ｋが低減され得る。
再び図１９の例を考察する。高導電率のディスク筐体のない状態では、外部磁束の特定量は、ループの閉じ込められた領域を横切ることができる。高導電率のディスク筐体の存在する状態では、この磁束の一部は、偏向または阻止され、もはやループの領域を横切ることはできず、かくしてより小さいパーターブド結合係数ｋ12(p+cond.surface)をまねく。しかしながら、偏向された磁力線が高導電率表面のエッジに沿って接近して進むことができるので、ディスクを閉じ込めるループを通る磁束の減少は、ディスクの面の領域とループの領域の比より小さい。
単独で又は磁性材料との組合せで高導電率材料の構造体を使用することにより、パーターブド品質係数、パーターブド結合係数、又はパーターブド効率を最適化することができる。
図２１の例を考察する。損失性物体が容量的に装荷されたインダクタループ共振器のサイズに等しいサイズを有するように、かくしてその領域Ａ２１０２を満たすようにする。高導電率表面１８０２が損失性物体１８０４の下に配置され得る。これが２つの結合された共振器１と２のシステムにおける共振器１とし、導電表面の領域（面積）Ａs２１０４が増加するにつれてＵ12(object+cond.surface)がＵ12に比べて如何にしてスケーリングされるかを考察しよう。損失性物体１８０４の下に導電表面１８０２がない場合、ｋ無感受性β12(object)は約１になることができるが、Ｑ無感受性Θ1(obuject)は小さくなり、そのためＵ無感受性Ξ12(object)は小さくなる。
損失性物体の下の高導電率表面がインダクタループ共振器の全領域を覆う（Ａs＝Ａ）場合、ｋ12(object+cond.surface)がゼロに近づき、その理由は、インダクタループを横切ることができる磁束が殆どなく、そのためＵ12(object+cond.surface)がゼロに近づくからである。高導電率表面の中間のサイズの場合、外因性損失および関連したＱ無感受性Θ1(object+cond.surface)の抑制は、Θ1(おbじぇct)に比べて十分に大きくなることができるが、結合の減少は著しくなく、関連するｋ無感受性β12(object+cond.surface)は、β12(object)よりあまり小さくなく、そのため全体的なＵ12(object+cond.surface)は、Ｕ12(object)に比べて増大し得る。無線エネルギー伝送システムにおける高導電率表面を介して外部損失性物体を回避する最適な程度は、システム構成の細部および用途に依存する可能性がある。
本発明者は、システムの高いパーターブドＱを達成するための１つの可能な方法として、高Ｑ共振器の近傍における損失を含む物体を完全に又は部分的に包囲する又は覆うために、高導電率材料を用いることを説明した。しかしながら、物体を覆うために良好な導体だけを用いることは、上述したように共振器の結合を低減する可能性があり、それにより無線電力伝送の効率が低減される。導電表面の面積が磁気共振器の面積に近づくにつれて、例えば、パーターブド結合係数ｋ(p)はゼロに近づくことができ、それにより導電表面の使用は効率的な無線電力伝送と相反する。
前述した問題に対処するための１つの手法は、高導電率材料の周りに磁性材料の層を配置することであり、その理由は、透磁性材料の追加の層が、偏向された磁界が追従するより低い磁気抵抗経路（自由空間に比べて）を提供することができ、その下にある導体を入射磁束から部分的に遮蔽することができるからである。ある状況下では、磁性材料により提供される、より低い磁気抵抗経路は、他の共振器に対する共振器の電磁結合を改善することができる。共振器の場が高Ｑ磁気共振器内またはその周りの損失性物体を避けるように共振器の場を調整するために導電材料を用いることに関連したパーターブド結合係数の減少は、導電材料の外面（単数または複数）に沿って磁性材料の層を含むことにより少なくとも部分的に回復され得る。磁性材料は、その初期の摂動を与えられていない（アンパーターブド）値に対してパーターブド結合係数を増加させることができる。
留意すべきは、図２６のシミュレーション結果は、入射磁界が導電構造体だけによるものに比べて、層状磁性材料および導電構造体によるものにより少なく偏向され得ることを示す。図２６の（ａ）と（ｂ）に示されたディスクの半径よりもほんの僅かに大きい半径を有する磁気共振器ループが、当該ディスクを閉じ込める場合、より多くの磁束線が図２６の（ａ）に示された場合に比べて図２６の（ｂ）に示された場合で捕捉されることが明らかであり、それ故にｋ(disk)は図２６の（ｂ）に示された場合にはより大きくなる。従って、導電材料に磁性材料の層を含むことは、全体的なシステム性能を改善することができる。システムの分析は、これら材料が部分的に、全体的に、又は最小限に共振器に組み込まれるべきであるか否かを判定するために行われ得る。
上述したように、図２７は、損失性材料２７０８の全てが導体および／または磁性材料の構造により覆われることができるとは限らない場合に使用するのに適切とすることができる、層状の導体２７０６及び磁性材料２７０２の構造を示す。１１ｃｍの半径のインダクタループ及びワイヤ半径ａ＝１ｍｍの共振器により閉じ込められた、２０ｃｍの直径および２ｃｍの高さを有する銅導体ディスクについて、当該銅円筒の計算されたパータービングＱは１８７０であることが上記で示された。共振器および導電ディスクシェルが均一な磁界内に配置（インダクタループの対称軸に沿って位置合わせされて）される場合、本発明者は、銅導体が関連した結合係数の無感受性０．３４を有すると計算した。比較のために、本発明者は、実数の相対透磁率μ’ｒ＝４０、及び虚数の相対透磁率μ”ｒ＝１０−２を有する磁性材料の０．２５ｃｍ厚の層を含むことを除いて同じ構造をモデル化した。上述した同じモデル及びパラメータを用いて、本発明者は、結合係数の無感受性が、導体の表面に磁性材料を追加することにより、０．６４まで改善されることを見出した。
磁性材料は、無線エネルギー伝送システムでの結合を増大させるために、磁気共振器により閉じ込められた領域内に配置され得る。最初は均一な磁界に配置された、相対透磁率μrを有する磁性材料の中実の球体を考察する。この例において、磁性材料により提供される、より低い磁気抵抗経路は、磁界を球体の体積に集中させ得る。本発明者は、球体の赤道（均分円）により囲まれた領域を通る磁束が、磁性材料の追加により、３μr／（μr＋２）倍で強化されることを見出した。μｒ≫１の場合、この強化係数は、３に近づくことができる。
誘導性素子により囲まれた磁気球体を磁気共振器に含むシステムの双極子モーメントが、同じ係数により強化されたその磁気双極子を有することも示されるであろう。かくして、高い透磁率を有する磁気球体は、共振器の双極子磁気結合を実質的に３倍にする。内側半径ａ及び外側半径ｂを有する磁性材料の球体シェルを使用する場合、このシェルが高い導電材料から作成されたブロック又は筐体の上にある場合でさえも、結合におけるこの増加の大部分を保持することが可能である。この場合、赤道を通る磁束の強化（増大）は、以下の通りである。
μr＝１０００、及び（ａ／ｂ）＝０．９９の場合、この強化係数は依然として２．７３であり、そのため、磁性材料の薄い層を有していても、結合を大幅に改善することが可能である。
μr＝１０００、及び（ａ／ｂ）＝０．９９の場合、この強化係数は依然として２．７３であり、そのため、磁性材料の薄い層を有していても、結合を大幅に改善することが可能である。
上述されたように、磁性材料を含む構造体を用いて、磁気共振器を実現することができる。図１６の（ａ）は、銅および磁性材料構造体１６００の三次元モデルを示し、当該構造体は、その中央における絞り箇所の周りの正方形ループの電流により駆動される。図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）に示されたような、同じ特性を有する２つの同一の構造体１６００Ａ、１６００Ｂ間での、磁界の流線により示されるような相互作用を示す。対称性の故に、及び計算の複雑性を低減するために、システムの半分だけがモデル化されている。２つの物体間の相対的な方向を固定し、それらの中心間距離を変化させる場合（図は、５０ｃｍの相対的な離隔距離で示された）、本発明者は、３００ｋＨｚにおいて、結合効率は、構造体間の離隔距離が３０ｃｍから６０ｃｍまで変化するにつれて、８７％から５５％まで変化することを見出した。図示された構造体１６００Ａ、１６００Ｂの例の各々は、４ｃｍ×４ｃｍ×２ｃｍの磁性材料のブロックにより結合され、且つ同じ磁性材料の２ｍｍの層で完全に覆われた、銅製の２つの２０ｃｍ×８ｃｍ×２ｃｍの平行六面体を含む（μr＝１４００＋ｊ５を有すると考えられる）。駆動ループの抵抗損失は無視される。各構造体は、８１５の計算されたＱを有する。
電磁共振器およびインピーダンスマッチング
低損失誘導性素子のインピーダンスマッチングアーキテクチャ
本説明のために、誘導性素子は、磁性材料から作成された（ギャップ付き又はギャップ無し）コアを備える又は備えない、任意の導電材料の任意のコイル又はループ構造（「ループ」）とすることができ、それはまた、他のシステムに誘導的に又は任意の他の非接触方法で結合され得る。素子は、ループのインピーダンス及び任意に潜在的に結合されたシステムのいわゆる「反射」インピーダンスを含むそのインピーダンスが、正のリアクタンスＸ、及び抵抗Ｒを有するので、誘導性である。
低損失誘導性素子のインピーダンスマッチングアーキテクチャ
本説明のために、誘導性素子は、磁性材料から作成された（ギャップ付き又はギャップ無し）コアを備える又は備えない、任意の導電材料の任意のコイル又はループ構造（「ループ」）とすることができ、それはまた、他のシステムに誘導的に又は任意の他の非接触方法で結合され得る。素子は、ループのインピーダンス及び任意に潜在的に結合されたシステムのいわゆる「反射」インピーダンスを含むそのインピーダンスが、正のリアクタンスＸ、及び抵抗Ｒを有するので、誘導性である。
誘導性素子が接続され得る駆動回路または駆動される負荷または伝送ラインのような外部回路を考察する。外部回路（例えば、駆動回路）は、電力を誘導性素子に伝えることができ、及び誘導性素子は外部回路に電力を伝えることができる（例えば、駆動される負荷）。所望の周波数において誘導性素子と外部回路との間で伝えられる電力の効率およびその量は、外部回路の特性に対する誘導性素子のインピーダンスに依存する可能性がある。インピーダンスマッチングの回路網および外部回路制御技術を用いて、所望の周波数ｆにおいて、外部回路と誘導性素子との間の電力伝送を調整することができる。
外部回路は、クラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＤＥ、Ｅ、Ｆなどの増幅器を形成するように構成された駆動回路とすることができ、それが固有インピーダンスＺ0 *を有する共振回路網を駆動する場合に、最大の効率で（即ち、駆動回路内で最小の損失で）電力を伝えることができ、ここでＺ0は複素数であり、＊は複素共役を示す。外部回路は、クラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＤＥ、Ｅ、Ｆなどの整流装置を形成するように構成された、駆動される負荷とすることができ、それが固有インピーダンスＺ0 *を有する共振回路網により駆動される場合に、最大の効率で（即ち、駆動される負荷内で最小の損失で）電力を受け取ることができ、ここでＺ0は複素数である。外部回路は、特性インピーダンスＺ０を有する伝送ラインとすることができ、インピーダンスＺ0 *に接続される場合に、最大効率で（即ち、ゼロ反射で）電力をやりとりすることができる。本発明者は、外部回路の特性インピーダンスＺ0を、最大効率で電力交換するためにそれに接続できるインピーダンスの複素共役と呼ぶ。
誘導性素子の一般的なインピーダンスＲ＋ｊＸは、Ｚ0 *とは非常に異なる可能性がある。例えば、誘導性素子が低い損失（高いＸ／Ｒ）を有する場合、その抵抗Ｒは外部回路の特性インピーダンスＺ０の実数部より非常に小さくなることができる。更に、誘導性素子はそれ自体により、共振回路網となることができない。誘導性素子に接続されたインピーダンスマッチング回路網は一般に、共振回路網を形成することができ、そのインピーダンスは調整され得る。
従って、インピーダンスマッチング回路網は、外部回路と誘導性素子（任意の結合されたシステムの反射インピーダンスを含む）との間で伝えられる電力の効率を最大化するように設計され得る。伝えられる電力の効率は、所望の周波数において、インピーダンスマッチング回路網と誘導性素子の組合せのインピーダンスを外部回路（又は伝送ライン）の特性インピーダンスにマッチングすることにより最大化され得る。
インピーダンスマッチング回路網は、外部回路と誘導性素子（任意の結合されたシステムの反射インピーダンスを含む）との間で所定量の電力を伝えるように設計され得る。伝えられる電力は、所望の周波数において、インピーダンスマッチング回路網および誘導性素子の組合せのインピーダンスと外部回路（又は伝送ライン）のインピーダンスの複素数比を調整することにより決定され得る。
誘導性素子に接続されたインピーダンスマッチング回路網は、磁気共振器を形成することができる。強く結合された磁気共振器を用いる無線電力伝送のような幾つかの用途の場合、高いＱは共振器に望ましい。従って、誘導性素子は、低い損失（高いＸ／Ｒ）を有するように選択され得る。
マッチング回路が一般に共振器の内部に追加の損失源を含む可能性があるので、マッチング回路の構成要素は、低い損失を有するようにも選択され得る。更に、高い電力用途において及び／又は高い共振器のＱに起因して、大きな電流が共振器回路の部品に流れる可能性があり、大きい電圧が共振器内の幾つかの回路素子の両端に存在するかもしれない。係る電流および電圧は、特定の回路素子の所定の許容範囲を越える可能性があり、特定の構成要素については非常に高いので耐えることができないかもしれない。場合によっては、例えば、特定の用途のために高Ｑおよび高い電力共振器の設計を実現するために十分なサイズ、コスト、及び性能（損失および電流／電圧の定格）の仕様に関して、調整可能なキャパシタのような構成要素を得る又は実装することが困難であるかもしれない。本発明者は、低い損失および／または高い電流／電圧の定格に関する構成要素の要件を低減しながら、磁気共振器の高いＱを保持することができるマッチング回路の設計、方法、具現化形態および技術を開示する。
マッチング回路の幾つかの素子に対する損失および電流定格の要件を最小化する、マッチング回路のトポロジーが設計され得る。低損失誘導性素子をインピーダンスＺ0にマッチングする回路のトポロジーは、その構成要素の幾つかが外部回路と直列にすることにより、関連した高Ｑ共振器の外側にあるように選択され得る。これら構成要素の低い直列損失または高い電流定格の要件は、低減され得る。回路素子に対する低い直列損失および／または高い電流定格の要件を軽減することは、素子が可変である必要があり、及び／又は大きい電圧定格および／または低い並列損失を有する必要がある場合に特に有用であるかもしれない。
マッチング回路の幾つかの素子に対する電圧定格の要件を最小限にするマッチング回路のトポロジーが、設計され得る。低損失誘導性素子をインピーダンスＺ0にマッチングする回路のトポロジーは、その構成要素の幾つかがＺ0と並列にすることにより、関連した高Ｑ共振器の外側にあるように選択され得る。これら構成要素の低い並列損失または高い電圧定格の要件は、低減され得る。回路素子に対する低い並列損失および／または高い電圧の要件を軽減することは、素子が可変である必要があり、及び／又は大きい電流定格および／または低い直列損失を有する必要がある場合に特に有用であるかもしれない。
低損失誘導性素子を外部特性インピーダンスＺ0にマッチングする回路のトポロジーは、関連した共振モードの電磁界パターン、ひいてはその高いＱが、外部インピーダンスに共振器を結合する際に保持されるように、選択され得る。もしそうでなければ、所望の共振モードに対する非効率的な結合が生じる可能性があり（場合によっては、他の不要共振モードへの結合に起因して）、結果として共振器のＱを事実上、低くすることになる。
低損失誘導性素子または外部回路が変化を呈することができる応用形態の場合、マッチング回路は、所望の周波数ｆにおいて、誘導性素子を外部回路のインピーダンスＺ0にマッチングするために動的に調整される必要があるかもしれない。２つのチューニング目標、即ち所望の周波数ｆにおいてインピーダンスレベルＺ0の実数部と虚数部をマッチング又は制御することが一般に存在するので、マッチング回路に２つの可変素子が存在することができる。誘導性素子の場合、マッチング回路は、少なくとも１つの可変容量性素子を含む必要があるかもしれない。
低損失誘導性素子は、２つの可変キャパシタ又は可変キャパシタの２つの回路網を用いるトポロジーによりマッチングされ得る。例えば、可変キャパシタは、調整可能なバタフライ型キャパシタとすることができるか、又はユーザ設定できる可変キャパシタンスを有する任意の他のキャパシタとすることができ、当該調整可能なバタフライ型キャパシタは、例えば接地、或いは電源または負荷の他のリード線に接続するための中央端子、及び当該調整可能なバタフライ型キャパシタのキャパシタンスが変更または調整され得る少なくとも１つの他の端子を有する。
低損失誘導性素子は、可変キャパシタ（単数または複数）の１つ又は係る可変キャパシタの回路網、及び可変インダクタ（単数または複数）の１つ又は係る可変インダクタの回路網を用いるトポロジーによりマッチングされ得る。
低損失誘導性素子は、外部回路または他のシステムに誘導性素子をトランス結合する、可変キャパシタ（単数または複数）の１つ又は係る可変キャパシタの回路網、及び可変相互インダクタンス（単数または複数）の１つ又は係る可変相互インダクタンスの回路網を用いるトポロジーによりマッチングされ得る。
場合によっては、サイズ、コスト及び高Ｑを実現するために十分な性能仕様、高い電力、及び場合によっては高速で同調可能な共振器設計に関して、調整可能な集中素子を得る又は実装することが困難であるかもしれない。可変誘導性素子を外部回路にマッチングする回路のトポロジーは、幾つかの可変性が、外部回路のトランジスタ、ダイオード、スイッチなどに印加される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクルなどを変更することにより外部回路に割り当てられるように設計され得る。
共振周波数における誘導性素子の抵抗ＲおよびインダクタンスＬのばらつきは、部分的にのみ補償され得るか、又は全然補償されない。かくして、適切なシステム性能は、他のシステム構成要素または仕様へと設計された許容範囲により保持され得る。より少ない調整可能な構成要素または調整可能能力の低い構成要素を用いて実現される部分的な調整は十分とすることができる。
マッチング回路のアーキテクチャは、その調整可能な素子の電圧／電流定格要件を最小限にし且つより微細な（即ち、より高い分解能でより精密な）全体的な調整可能性を達成しながら、高電力条件下でインピーダンスマッチング回路の所望の可変性を達成するように設計され得る。可変誘導性素子をインピーダンスＺ0にマッチングする回路のトポロジーは、可変構成要素の電圧／電流要件が低減されることができ、且つ所望の調整範囲がより微細な調整分解能でカバーされ得るように、固定および可変素子の適切な組合せ及び配置を含むことができる。電圧／電流要件は、可変でない構成要素で低減され得る。
開示されたインピーダンスマッチングのアーキテクチャ及び技術は、以下のことを達成するために使用され得る。即ち、
・電力駆動発生装置から供給源の低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）に伝えられる電力を最大化する、又は係る低損失誘導性素子間のインピーダンス不整合を最小限にするために、
・デバイスの低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）から電力駆動される負荷へ伝えられる電力を最大化する、又は係る低損失誘導性素子間のインピーダンス不整合を最小限にするために、
・電力駆動発生装置から供給源の低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）に制御された電力量を伝える、又は係る低損失誘導性素子間の特定のインピーダンス関係を達成するために、
・デバイスの低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）から電力駆動される負荷へ制御された電力量を伝える、又は係る低損失誘導性素子間の特定のインピーダンス関係を達成するために。
・電力駆動発生装置から供給源の低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）に伝えられる電力を最大化する、又は係る低損失誘導性素子間のインピーダンス不整合を最小限にするために、
・デバイスの低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）から電力駆動される負荷へ伝えられる電力を最大化する、又は係る低損失誘導性素子間のインピーダンス不整合を最小限にするために、
・電力駆動発生装置から供給源の低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）に制御された電力量を伝える、又は係る低損失誘導性素子間の特定のインピーダンス関係を達成するために、
・デバイスの低損失誘導性素子（及び低損失誘導性素子にワイヤレスで結合された任意の他のシステム）から電力駆動される負荷へ制御された電力量を伝える、又は係る低損失誘導性素子間の特定のインピーダンス関係を達成するために。
モードプロファイルの保存のトポロジー（高いＱ）
共振器構造体は、電力発生装置または負荷にワイヤレスで（間接的に）又は有線接続で（直接的に）接続されるように設計され得る。
共振器構造体は、電力発生装置または負荷にワイヤレスで（間接的に）又は有線接続で（直接的に）接続されるように設計され得る。
図２８の（ａ）のブロック図により示されるような、一般的に間接的に結合されたマッチングトポロジーを考察する。そこで、（Ｒ、Ｌ）として表示され、インダクタの回路記号により表された誘導性素子２８０２が、ここに説明されまたはここに示す文献に説明された任意の誘導性素子とすることができ、この場合、インピーダンスマッチング回路２４０２は、部品Ａ及びＢを含む、又は部品Ａ及びＢからなる。Ｂは、インピーダンス２８０４、Ｚ０を残りの回路（Ａと誘導性素子の組合せ（Ａ＋（Ｒ、Ｌ））に、ワイヤレス接続（誘導性または容量性結合機構）を介して接続するマッチング回路の一部とすることができる。
Ａと誘導性素子２８０２の組合せは、共振器１０２を形成することができ、それは孤立して、関連した電流および電荷分布で高Ｑ共振器電磁モードをサポートすることができる。外部回路Ｚ０とＢ、共振器Ａ＋（Ｒ、Ｌ）との間に有線接続がないことは、高Ｑ共振器電磁モード及びその電流／電荷分布が、ワイヤレス結合の程度があまり大きくない限り、その固有の（孤立した）プロファイルの形態をとることができることを保証することができる。即ち、電磁モード、電流／電荷分布、ひいては共振器の高Ｑは、間接的に結合されるマッチングトポロジーを用いて自動的に維持され得る。
このマッチングトポロジーは、誘導性結合が外部回路とインダクタループとの間に使用される場合に、間接的に結合された、又はトランス結合された、又は誘導性結合されたと呼ばれ得る。このタイプの結合状況は、参照されるScienceの論文で説明された中距離にわたる無線エネルギー伝送の実証において、電源を供給源共振器に結合する、及びデバイス共振器をライトバルブに結合するために使用された。
次に、誘導性素子が、誘導性素子および任意の間接的に結合されたシステムを含むことができる例を考察する。この場合、上述されたように、やはり外部回路または結合されたシステムと共振器との間に有線接続がないという理由で、結合されたシステムは、あまり大きくない程度の間接結合の良好な接近で、共振器の電磁モードプロファイル及び共振器の電流／電荷分布に影響を与えることはない。従って、間接的に結合されたマッチング回路は、ここに定義されるような、共振器の一部としての任意の一般的な誘導性素子、並びに他のシステムにワイヤレスで結合された誘導性素子に同様にうまく機能することができる。本明細書の全体にわたって、本発明者が開示するマッチングトポロジーは、このタイプの一般的な誘導性素子に関するマッチングトポロジーを意味し、即ち、この場合、任意の追加のシステムが低損失誘導性素子に間接的に結合されることができ、理解されるべきは、これらの追加のシステムが共振器の電磁モードプロファイル及び共振器の電流／電荷分布に大した影響を与えることはない。
上記の議論に基づいて、任意の数の結合された供給源共振器、デバイス共振器、及び中間の共振器からなる無線電力伝送システムにおいて、共振器間のワイヤレス磁気（誘導性）結合は、共振器のそれぞれの電磁モードプロファイル及び電流／電荷分布に影響を与えない。従って、これら共振器が高い（アンローデッド及びアンパーターブド）Ｑを有する場合、それらの（アンローデッド及びアンパーターブド）Ｑは、ワイヤレス結合の存在する状態で保持される（留意すべきは、共振器のローデッドＱは、別の共振器へのワイヤレス結合が存在する状態で低減され得るが、本発明者は、損失機構のみに関連し、結合／装荷（ローディング）機構に関連しないアンローデッドＱを保持することに興味がある）。
図２８の（ｂ）に示されたようなマッチングトポロジーを考察する。図２８の（ｂ）に示されたキャパシタは、キャパシタ回路または回路網を表すことができる。図示されたキャパシタを用いて、共振器１０２を形成することができ、且つ供給源共振器およびデバイス共振器の周波数および／またはインピーダンスを調整することができる。この共振器１０２は、「端子接続」２８０８と表示されたポートを用いて、インピーダンスＺ0に直接的に結合され得る。図２８の（ｃ）は、一般化された直接結合されたマッチングトポロジーを示し、この場合、インピーダンスマッチング回路２４０２は、部品Ａ、Ｂ、及びＣを含む又はそれらからなる。ここで、Ａ、Ｂ、及びＣの回路素子は、共振器１０２の一部、並びにインピーダンスマッチング２４０２（及び周波数調整）トポロジーの一部と考えられ得る。Ｂ及びＣは、インピーダンスＺ0２８０４（又は回路網の端子）を残りの回路（Ａ及び誘導性素子）に、各単一ワイヤ接続を介して接続するマッチング回路２４０２の部品とすることができる。留意すべきは、Ｂ及びＣは無くてもよい（短絡）。回路部品Ｂ及びＣ（即ちこれら単一のワイヤ接続）を切断する又は開く場合、Ａ及び誘導性素子（Ｒ、Ｌ）の組合せは、共振器を形成することができる。
高Ｑ共振器の電磁モードは、誘導性素子に沿った電圧分布のプロファイルがノード、即ち電圧がゼロである位置を有するようになるかもしれない。１つのノードは、（磁性材料を備える又は備えない）誘導性素子を形成するために使用される導体の中心のような、誘導性素子の長さのほぼ中心にあることができ、少なくとも１つの他のノードはＡ内にあることができる。電圧分布は、その電圧ノードに対して誘導性素子に沿ってほぼ反対称になることができる。高いＱは、マッチングトポロジー（Ａ、Ｂ、Ｃ）及び／又は端子電圧（Ｖ１、Ｖ２）を設計することにより維持されることができ、そのためこの高Ｑ共振器の電磁モードの分布は、誘導性素子上にほぼ保持され得る。この高Ｑ共振器の電磁モードの分布は、誘導性素子の電圧ノードを（ほぼ中心に）保持することにより、誘導性素子上にほぼ保持され得る。これら設計の目標を達成する例をここに示す。
Ａ、Ｂ、及びＣは任意（即ち、任意の特別な対称性を備えない）とすることができ、Ｖ１及びＶ２は、誘導性素子の両端の電圧が対称性（誘導性素子の中央にある電圧ノード）であるように選択され得る。これらの結果は、トポロジーに依存するコモンモード信号（Ｖ１＋Ｖ２）／２が双方の端子で要求され得るので、潜在的に複雑な端子電圧を除いて、簡単なマッチング回路を用いて達成されることができる。
共振器の電圧ノード全てを接続する「軸」を考察し、この場合、やはり１つのノードが誘導性素子の長さのほぼ中心にあり、他のノードがＡ内にある（留意すべきは、「軸」は、電気回路トポロジー内で実際に一組の点（電圧ノード）であり、実際の物理的構造の線形軸に必ずしも対応するとは限らない。「軸」は、物理的構造が対称性を有する場合に物理的軸とそろうかもしれない。）。共振器の２つの点は、インピーダンスが２つの点のそれぞれとの間で見出され、「軸」上の点、即ち共振器の電圧ノードの点が同じである場合、「軸」に対して電気的に対称である。
Ｂ及びＣは同じ（Ｃ＝Ｂ）であり、２つの端子は、図２８の（ｄ）に示されるように、上記で定義された「軸」に対して電気的に対称であり、対向する電圧（Ｖ２＝−Ｖ１）で駆動される、共振器（Ａ＋（Ｒ、Ｌ））の任意の２つの点に接続され得る。共振器１０２の２つの電気的に対称の点は、インダクタループ上の２つの電気的に対称の点とすることができる。共振器の２つの電気的に対称の点は、Ａの内部の２つの電気的に対称の点とすることができる。２つの電気的に対称の点（等しい部品Ｂ及びＣのそれぞれが接続される）がＡの内部にある場合、Ａは、これらの電気的に対称の点が回路内の接続点としてアクセス可能であるように設計される必要がある。このトポロジーは、「平衡駆動」のトポロジーと呼ばれ得る。これら平衡駆動の例は、外部回路または電力回路網における摂動に起因して接地線上に存在することができる任意のコモンモード信号が、例えば、自動的に除去され得る（及び共振器に到達できない）という利点を有することができる。幾つかの平衡駆動の例において、このトポロジーは他のトポロジーよりも多くの構成要素を必要とするかもしれない。
他の例において、図２８の（ｅ）に示されるように、Ｃは短絡するように選択され、対応する端子が接地（Ｖ＝０）、及び共振器の電気対称（ゼロ電圧）の「軸」上の任意の点に接続され、Ｂが電気対称の「軸」上にない共振器の任意の他の点に接続されるように選択される。電気対称の「軸」上の接地接続された点は、誘導性素子上の、その導体長さのほぼ中心にある電圧ノードとすることができる。電気対称の「軸」上の接地接続された点は、回路Ａの内部にあることができる。電気対称の「軸」上の接地接続された点がＡの内部にある場合、Ａは、電気的にアクセス可能な、即ち接続が可能な、電気対称の「軸」上に係る１つの点を含むように設計される必要がある。
このトポロジーは、「不平衡駆動」のトポロジーと呼ばれ得る。誘導性素子に沿った電磁モードのほぼ反対称の電圧分布は、共振器が正確に対称的に駆動されることができなくても、ほぼ保持され得る。その理由は、高いＱ及び大きな関連したＲ対Ｚ0の不整合は、共振器（Ａ＋（Ｒ、Ｌ））の内部を流れることができる非常に大きな電流に比べて、少ない電流がＢ及び接地を通って流れることができることを必要とするということである。この状況において、共振器モード上の摂動は、弱くなることができ、電圧ノードの場所は、誘導性素子のほぼ中央の場所にとどまることができる。これら不平衡駆動の例は、それらが簡単なマッチング回路を用いて達成されることができ、Ｖ１端子の駆動電圧に制限がないという利点を有することができる。幾つかの不平衡駆動の例において、接地端子に生じるかもしれないコモンモード信号を低減するために、追加の設計が必要になることがある。
図２８の（ｃ）に示されるように、概して部品Ａ、Ｂ及びＣを含む又はそれらからなる直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路は、ワイヤ及び回路の構成要素が誘導性素子および／または抵抗の電磁モードの電界および磁界のプロファイルに摂動を与えず、ひいては共振器の高いＱを保持するように設計され得る。回路のワイヤ及び金属の構成要素は、電磁モードの電気力線に垂直になるように配向され得る。回路のワイヤ及び構成要素は、電磁モードの電界および磁界が弱い領域に配置され得る。
素子の低直列損失および高電流定格の要件を軽減するためのトポロジー
低い損失の誘導性素子の小さい抵抗Ｒを外部回路のより大きな特性インピーダンスＺ0にマッチングするために使用されるマッチング回路が無損失であると考えられる場合、
及び端子に流れる電流は、誘導性素子に流れる電流よりも非常に小さい。従って、端子と直に直列接続された素子（例えば、直接的に結合されたＢ、Ｃ（図２８（ｃ）））は、大きい電流を伝えることができない。従って、たとえマッチング回路が損失性素子を有するとしても、端子に直列接続された素子に存在する抵抗損失は、共振器の高Ｑにおける著しい減少という結果にならない。即ち、それら直列素子の抵抗損失は、Ｚ０から誘導性素子への（または逆もまた同じ）電力伝送の効率を著しく低減しない。従って、低直列損失および／または高電流定格の厳密な要件は、これら構成要素に必要ないかもしれない。一般に、係る低減された要件は、高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング及び共振器のトポロジーへと設計され得る構成要素のより広い選択をもたらすことができる。これら低減された要件は特に、これら高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング回路で使用され得る、可変および／または高電圧および／または低並列損失の構成要素の種類を広げる上で有用である。
低い損失の誘導性素子の小さい抵抗Ｒを外部回路のより大きな特性インピーダンスＺ0にマッチングするために使用されるマッチング回路が無損失であると考えられる場合、
及び端子に流れる電流は、誘導性素子に流れる電流よりも非常に小さい。従って、端子と直に直列接続された素子（例えば、直接的に結合されたＢ、Ｃ（図２８（ｃ）））は、大きい電流を伝えることができない。従って、たとえマッチング回路が損失性素子を有するとしても、端子に直列接続された素子に存在する抵抗損失は、共振器の高Ｑにおける著しい減少という結果にならない。即ち、それら直列素子の抵抗損失は、Ｚ０から誘導性素子への（または逆もまた同じ）電力伝送の効率を著しく低減しない。従って、低直列損失および／または高電流定格の厳密な要件は、これら構成要素に必要ないかもしれない。一般に、係る低減された要件は、高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング及び共振器のトポロジーへと設計され得る構成要素のより広い選択をもたらすことができる。これら低減された要件は特に、これら高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング回路で使用され得る、可変および／または高電圧および／または低並列損失の構成要素の種類を広げる上で有用である。
素子の低並列損失および高電圧定格の要件を軽減するためのトポロジー
上記のように、低い損失の誘導性素子の小さい抵抗Ｒを外部回路のより大きな特性インピーダンスＺ0にマッチングするために使用されるマッチング回路が無損失であると考えられる場合、前の分析を用いて、
及び低損失（高いＸ／Ｒ）誘導性素子の場合、端子にわたる電圧は一般に、誘導性素子の両端の電圧より非常に小さい。従って、端子に直に並列接続された素子は、高電圧に耐える必要がない。従って、たとえマッチング回路が損失性素子を有するとしても、端子に並列接続された素子に存在する抵抗損失は、共振器の高Ｑにおける著しい減少という結果にならない。即ち、それら並列素子の抵抗損失は、Ｚ0から誘導性素子への（または逆もまた同じ）電力伝送の効率を著しく低減しない。従って、低並列損失および／または高電圧定格の厳密な要件は、これら構成要素に必要ないかもしれない。一般に、係る低減された要件は、高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング及び共振器のトポロジーへと設計され得る構成要素のより広い選択をもたらすことができる。これら低減された要件は特に、これら高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング及び共振器回路で使用され得る、可変および／または高電流および／または低直列損失の構成要素の種類を広げる上で有用である。
上記のように、低い損失の誘導性素子の小さい抵抗Ｒを外部回路のより大きな特性インピーダンスＺ0にマッチングするために使用されるマッチング回路が無損失であると考えられる場合、前の分析を用いて、
及び低損失（高いＸ／Ｒ）誘導性素子の場合、端子にわたる電圧は一般に、誘導性素子の両端の電圧より非常に小さい。従って、端子に直に並列接続された素子は、高電圧に耐える必要がない。従って、たとえマッチング回路が損失性素子を有するとしても、端子に並列接続された素子に存在する抵抗損失は、共振器の高Ｑにおける著しい減少という結果にならない。即ち、それら並列素子の抵抗損失は、Ｚ0から誘導性素子への（または逆もまた同じ）電力伝送の効率を著しく低減しない。従って、低並列損失および／または高電圧定格の厳密な要件は、これら構成要素に必要ないかもしれない。一般に、係る低減された要件は、高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング及び共振器のトポロジーへと設計され得る構成要素のより広い選択をもたらすことができる。これら低減された要件は特に、これら高Ｑ及び／又は高電力インピーダンスマッチング及び共振器回路で使用され得る、可変および／または高電流および／または低直列損失の構成要素の種類を広げる上で有用である。
留意すべきは、上記の設計原理は、Ｚ０と直列接続された回路網の使用（直接的に結合されたＢ、Ｃのような）、又はＺ0と並列接続された回路網の使用を様々に提案するように、様々な素子における電流および電圧を異なるように低減することができる。所与の用途に好適なトポロジーは、低直列損失／高電流定格、又は低並列損失／高電圧定格の素子の入手のし易さに依存する可能性がある。
微細な調整を達成し及び可変素子の高い定格要件を軽減するための固定および可変素子の組合せ
回路のトポロジー
満足な低損失および高電圧または高電流定格を有する可変回路素子は、入手するのに困難または高価である可能性がある。本明細書において、本発明者は、適切な電圧および電流定格を有する可能性がより高い、回路の固定素子に大きな電圧または電流が割り当てられ、且つ回路の可変素子に対する電圧および電流定格要件を軽減するように、固定素子および可変素子の組合せを組み込むことができるインピーダンスマッチングトポロジーを説明する。
回路のトポロジー
満足な低損失および高電圧または高電流定格を有する可変回路素子は、入手するのに困難または高価である可能性がある。本明細書において、本発明者は、適切な電圧および電流定格を有する可能性がより高い、回路の固定素子に大きな電圧または電流が割り当てられ、且つ回路の可変素子に対する電圧および電流定格要件を軽減するように、固定素子および可変素子の組合せを組み込むことができるインピーダンスマッチングトポロジーを説明する。
可変回路素子は、所与のインピーダンスマッチングの用途に必要されるものよりも大きな調整（チューニング）範囲を有することができ、これらの場合、微細調整の分解能は、係る大きな範囲の素子だけを用いて得ることは困難である可能性がある。本明細書において、本発明者は、より微細な調整分解能が同じ可変素子で達成され得るように、固定素子および可変素子の組合せを組み込むインピーダンスマッチングトポロジーを説明する。
従って、固定素子および可変素子の組合せを用いるトポロジーは、同時に２種類の利点をもたらすことができ、即ち回路の敏感なチューニング構成要素にわたる電圧またはそれを流れる電流の低減、及びより微細な調整分解能である。留意すべきは、最大の達成可能な調整範囲は、回路設計における調整可能な構成要素にわたる電圧またはそれを流れる電流の最大限の減少に関係付けられ得る。
素子のトポロジー
単一の可変回路素子（上述した素子の回路網とは対照的に）は、可変構成要素の定格要件の減少およびより微細な調整分解能を達成するために、直列または並列に接続された固定および可変構成要素の組合せを用いたトポロジーにより実現され得る。これは、以下の事実により数学的に実証され得る。
ここで、ｘ|subscript|は任意の素子の値（例えば、キャパシタンス、インダクタンス）であり、Ｘは電圧または電流であり、「＋符号」は、素子の適切な（直列追加または並列追加）組合せを示す。留意すべきは、ｘ|subscript|の下付き文字の形式は、円形誘導性素子（例えば、ｘ、ｘ１など）により包囲される面積の半径からそれを容易に区別するために選択される。
単一の可変回路素子（上述した素子の回路網とは対照的に）は、可変構成要素の定格要件の減少およびより微細な調整分解能を達成するために、直列または並列に接続された固定および可変構成要素の組合せを用いたトポロジーにより実現され得る。これは、以下の事実により数学的に実証され得る。
ここで、ｘ|subscript|は任意の素子の値（例えば、キャパシタンス、インダクタンス）であり、Ｘは電圧または電流であり、「＋符号」は、素子の適切な（直列追加または並列追加）組合せを示す。留意すべきは、ｘ|subscript|の下付き文字の形式は、円形誘導性素子（例えば、ｘ、ｘ１など）により包囲される面積の半径からそれを容易に区別するために選択される。
更に、この原理は、可変素子が他の固定素子と適切に組み合わされる場合、異なるタイプの可変素子を用いることにより、特定のタイプ（例えば、キャパシタンス又はインダクタンス）の可変電気素子を実現するために使用され得る。
結論として、最適化の制約として必要な調整範囲を有する固定および可変素子の必要な数、配置、タイプ、及び値、並びに最適化の目的として可変素子の電流および／または電圧の最小化を決定するトポロジー最適化のアルゴリズムが適用され得る。
例
以下の回路図において、本発明者は、低損失誘導性素子に対するインピーダンスマッチング及び係る誘導性素子の共振器設計の異なる特定のトポロジーの具現化形態を示す。更に、本発明者は、各トポロジーについて、上述されたどの原理が使用されているか、マッチングを達成するために使用され得る可変素子の値を与える式、及びマッチングされ得る複素インピーダンスの範囲（不等式およびスミスチャートの表現を用いて）を示す。これらの例の場合、本発明者は、Ｚ0が実数であるが、非ゼロの虚数部を有する特性インピーダンスまでの拡張が真っ直ぐであると仮定し、その理由は、それがマッチング回路網の構成要素の必要な値における小さな調整だけを意味するからである。本発明者は、量に関する下付き文字ｎがＺ0（除算した）に対する正規化を意味する取り決めを使用する。
以下の回路図において、本発明者は、低損失誘導性素子に対するインピーダンスマッチング及び係る誘導性素子の共振器設計の異なる特定のトポロジーの具現化形態を示す。更に、本発明者は、各トポロジーについて、上述されたどの原理が使用されているか、マッチングを達成するために使用され得る可変素子の値を与える式、及びマッチングされ得る複素インピーダンスの範囲（不等式およびスミスチャートの表現を用いて）を示す。これらの例の場合、本発明者は、Ｚ0が実数であるが、非ゼロの虚数部を有する特性インピーダンスまでの拡張が真っ直ぐであると仮定し、その理由は、それがマッチング回路網の構成要素の必要な値における小さな調整だけを意味するからである。本発明者は、量に関する下付き文字ｎがＺ0（除算した）に対する正規化を意味する取り決めを使用する。
図２９は、トランス結合されたインピーダンスマッチング回路の２つの例を示し、この場合、２つの調整可能な素子（要素）は、キャパシタ及び２つの誘導性素子間の相互インダクタンスである。本発明者が、図２９の（ａ）に関して、Ｘ2＝ωＬ2、及び図２９の（ｂ）に関して、Ｘ2＝ωＬ2−１／ωＣ2、及びＸ≡ωＬを定義する場合、調整可能な素子の必要な値は、以下の通りである。
図２９の（ｂ）のトポロジーの場合、特に簡単な設計は、Ｘ2＝０を選択することである。この場合、これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
Ｒn＞０、Ｘn＞０
それらは、図２９の（ｃ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。
図２９の（ｂ）のトポロジーの場合、特に簡単な設計は、Ｘ2＝０を選択することである。この場合、これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
Ｒn＞０、Ｘn＞０
それらは、図２９の（ｃ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。
良好に予め選択された固定Ｍが与えられる場合、調整可能なＣ２を有する上記マッチングトポロジーを代わりに使用することもできる。
図３０は、直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の６つの例（ａ）〜（ｆ）（この場合２つの調整可能な素子はキャパシタである）、及び直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の６つの例（ｈ）〜（ｍ）（この場合２つの調整可能な素子は１つのキャパシタと１つのインダクタである）を示す。図３０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）のトポロジーの場合、コモンモード信号は、誘導性素子の中央に共振器の電圧ノードを保持する、ひいては高いＱを保持するために２つの端子に必要とされ得る。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｃ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明され得る。図３０の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｋ）、（ｌ）、（ｍ）の対称のトポロジーの場合、２つの端子は、誘導性素子の中央に共振器の電圧ノードを保持する、ひいては高いＱを保持するために反対称的に駆動される必要があるかもしれない。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｄ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明され得る。理解されるべきは、ここに使用されるようなキャパシタの回路網は、別の意味が明確に提供される又は文脈から明らかであることを除いて、１つ又は複数のキャパシタを含む任意の回路トポロジーを一般に意味し、キャパシタ、又は任意の他の等価物または異なる回路構造（単数または複数）を用いる特に本明細書に開示された任意の回路を含むが、これに限定されない。
図３０の（ａ）、（ｄ）、（ｈ）、（ｋ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬを定義し、図３０の（ｂ）、（ｅ）、（ｉ）、（ｌ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ3を定義し、図３０の（ｃ）、（ｆ）、（ｊ）、（ｍ）についてそれぞれ、Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ）‖（１／ｊωＣ3）を定義する。ここで記号「‖」は、「〜の並列組合せ」を意味し、Ｒ≡Ｒｅ｛Ｚ｝、Ｘ≡Ｉｍ｛Ｚ｝である。図３０の（ａ）〜（ｆ）について、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
それらは、図３０の（ｇ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３０の（ｈ）〜（ｍ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
それらは、図３０の（ｇ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３０の（ｈ）〜（ｍ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
図３１は、２つの調整可能な素子がキャパシタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例（ａ）〜（ｃ）、及び２つの調整可能な素子が１つのキャパシタと１つのインダクタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例（ｅ）〜（ｇ）を示す。図３１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）のトポロジーの場合、接地端子は、誘導性素子の中央に共振器の電圧ノードを保持し、ひいては、高いＱを保持するために、２つの等しい値のキャパシタ２Ｃ1の間（即ち、主共振器の対称軸上）に接続される。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｅ）に示された一般的トポロジーの具現化形態として説明される。
図３１の（ａ）、（ｅ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬを定義し、図３１の（ｂ）、（ｆ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ3を定義し、図３１の（ｃ）、（ｇ）についてそれぞれ、Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ）‖（１／ｊωＣ3）を定義し、及びＲ≡Ｒｅ｛Ｚ｝、Ｘ≡Ｉｍ｛Ｚ｝を定義する。図３１の（ａ）〜（ｃ）について、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。
それらは、図３１の（ｄ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３１の（ｅ）〜（ｇ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。
それらは、図３１の（ｄ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３１の（ｅ）〜（ｇ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
図３２は、２つの調整可能な素子がキャパシタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例（ａ）〜（ｃ）、及び２つの調整可能な素子が１つのキャパシタと１つのインダクタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例（ｅ）〜（ｇ）を示す。図３２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）のトポロジーの場合、接地端子は、誘導性素子の中央に接続され、その点に共振器の電圧ノードを保持し、ひいては高いＱを保持することができる。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｅ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明される。
図３２の（ａ）について、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬを定義し、図３２の（ｂ）について、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ3を定義し、図３２の（ｃ）について、Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ）‖（１／ｊωＣ3）を定義し、及びＲ≡Ｒｅ｛Ｚ｝、Ｘ≡Ｉｍ｛Ｚ｝を定義する。図３２の（ａ）〜（ｃ）について、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
ここで、ｋはＭ’＝−ｋＬ’により定義され、Ｌ’は、インダクタループの各半分のインダクタンスであり、Ｍ’は係る２つの半分間の相互インダクタンスであり、これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
それらは、図３２の（ｄ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３２の（ｅ）〜（ｇ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
ここで、ｋはＭ’＝−ｋＬ’により定義され、Ｌ’は、インダクタループの各半分のインダクタンスであり、Ｍ’は係る２つの半分間の相互インダクタンスであり、これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
それらは、図３２の（ｄ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３２の（ｅ）〜（ｇ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
図３０、図３１、図３２の回路において、キャパシタＣ2又はインダクタＬ2（又は２つのキャパシタ２Ｃ2又は２つのインダクタＬ2／２）は、端子に直列に接続され、非常に低い直列損失を有するか、又は大きい電流に耐える必要はないかもしれない。
図３３は、２つの調整可能な素子がキャパシタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の６つの例（ａ）〜（ｆ）、及び２つの調整可能な素子が１つのキャパシタと１つのインダクタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の６つの例（ｈ）〜（ｍ）を示す。図３３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）のトポロジーの場合、コモンモード信号は、誘導性素子の中央に共振器の電圧ノードを保持し、ひいては高いＱを保持するために２つの端子に必要とされる。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｃ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明され、ここでＢ及びＣは短絡であり、Ａは平衡されていない。図３３の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｋ）、（ｌ）、（ｍ）の対称的トポロジーの場合、２つの端子は、誘導性素子の中央に共振器の電圧ノードを保持し、ひいては高いＱを保持するために非対称的に駆動（平衡駆動）される必要があるかもしれない。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｄ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明され、ここでＢ及びＣは短絡であり、Ａは平衡されている。
図３３の（ａ）、（ｄ）、（ｈ）、（ｋ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬを定義し、図３３の（ｂ）、（ｅ）、（ｉ）、（ｌ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ3を定義し、図３３の（ｃ）、（ｆ）、（ｊ）、（ｍ）についてそれぞれ、Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ）‖（１／ｊωＣ3）を定義し、及びＲ≡Ｒｅ｛Ｚ｝、Ｘ≡Ｉｍ｛Ｚ｝を定義する。図３３の（ａ）〜（ｆ）について、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
それらは、図３３の（ｇ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３５の（ｈ）〜（ｍ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。即ち、
それらは、図３３の（ｇ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３５の（ｈ）〜（ｍ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
図３４は、２つの調整可能な素子がキャパシタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例（ａ）〜（ｃ）、及び２つの調整可能な素子が１つのキャパシタと１つのインダクタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例（ｅ）〜（ｇ）を示す。図３４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）のトポロジーの場合、接地端子は、誘導性素子の中央に共振器の電圧ノードを保持し、ひいては、高いＱを保持するために、２つの等しい値のキャパシタ２Ｃ２の間（即ち、主共振器の対称軸上）に接続される。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｅ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明される。
図３４の（ａ）、（ｅ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬを定義し、図３４の（ｂ）、（ｆ）についてそれぞれ、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ3を定義し、図３４の（ｃ）、（ｇ）についてそれぞれ、Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ）‖（１／ｊωＣ3）を定義し、及びＲ≡Ｒｅ｛Ｚ｝、Ｘ≡Ｉｍ｛Ｚ｝を定義しよう。図３４の（ａ）〜（ｃ）について、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。
それらは、図３４の（ｄ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３４の（ｅ）〜（ｇ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。
それらは、図３４の（ｄ）のスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。図３４の（ｅ）〜（ｇ）の場合、調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられ得る。
図３５は、２つの調整可能な素子がキャパシタである直接的に結合されたインピーダンスマッチング回路の３つの例を示す。図３５のトポロジーの場合、接地端子は、誘導性素子の中央に接続され、その点に共振器の電圧ノードを保持する、ひいては高いＱを保持することができる。留意すべきは、これらの例は、図２８の（ｅ）に示された一般的なトポロジーの具現化形態として説明される。
図３５の（ａ）について、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬを定義し、図３５の（ｂ）について、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ3を定義し、図３５の（ｃ）について、Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ）‖（１／ｊωＣ3）を定義し、及びＲ≡Ｒｅ｛Ｚ｝、Ｘ≡Ｉｍ｛Ｚ｝を定義しよう。調整可能な素子の必要な値は、以下により与えられる。
ここで、
そしてｋはＭ’＝−ｋＬ’により定義される。但し、Ｌ’は、誘導性素子の各半分のインダクタンスであり、Ｍ’は係る２つの半分間の相互インダクタンスである。これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。
それらは、ｋ＝０の場合の図３５の（ｄ）に示された、ｋ＝０．０５の場合の図３５の（ｅ）に示された、及びｋ＝１の場合の図３５の（ｆ）に示された３つのスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。留意すべきは、０＜ｋ＜１の場合、このトポロジーがマッチングできるスミスチャートの２つの分離された領域が存在する。
ここで、
そしてｋはＭ’＝−ｋＬ’により定義される。但し、Ｌ’は、誘導性素子の各半分のインダクタンスであり、Ｍ’は係る２つの半分間の相互インダクタンスである。これらのトポロジーは、以下の不等式を満たすインピーダンスをマッチングすることができる。
それらは、ｋ＝０の場合の図３５の（ｄ）に示された、ｋ＝０．０５の場合の図３５の（ｅ）に示された、及びｋ＝１の場合の図３５の（ｆ）に示された３つのスミスチャートの実線により包囲された領域によって示される。留意すべきは、０＜ｋ＜１の場合、このトポロジーがマッチングできるスミスチャートの２つの分離された領域が存在する。
図３３、図３４、図３５の回路において、キャパシタＣ2又はインダクタＬ2（又は２つのキャパシタ２Ｃ2の一方、又は２つのインダクタ２Ｌ2の一方）は、端子に並列に接続され、ひいては高い電圧定格を有する必要はないかもしれない。２つのキャパシタ２Ｃ2又は２つのインダクタ２Ｌ2の場合、双方は高い電圧定格を有する必要はないかもしれない。その理由は、ほぼ同じ電流がそれらを流れ、かくしてそれらが、それらにわたるほぼ同じ電圧を蒙るからである。
図３０〜図３５のトポロジーに関して、キャパシタＣ3が使用される場合、キャパシタＣ3の使用は、周波数およびインピーダンスの微細な調整をもたらすことができる。図３０〜図３５のトポロジーに関して、誘導性素子に直列接続された固定キャパシタＣ3の使用は、高い誘導性素子の電圧の大部分がこの固定キャパシタＣ3を横切り、かくして幾つかを可変とすることができるインピーダンスマッチング回路の他の素子に対する電圧定格要件を潜在的に軽減する。係るトポロジーが好適か否かは、適切な固定および調整可能な構成要素の入手可能性、コスト、及び仕様に依存する。
上記の例において、共通端子を備えない一対の等しい値の可変キャパシタは、連動型キャパシタ、又は集合体として値を調整するためにバイアスされる及び制御されるバラクタ又はダイオードのグループ又はアレイを用いて実現され得る。１つの共通端子を備える一対の等しい値の可変キャパシタは、調整可能なバタフライ型キャパシタ、又は任意の他の調整可能な又は可変キャパシタ、又は集合体としてキャパシタンス値を調整するためにバイアスされる及び制御されるバラクタ又はダイオードのグループ又はアレイを用いて実現され得る。
インピーダンスマッチング回路網の選択の際に考慮され得る別の基準は、所望の動作周波数以外の異なる周波数に対する回路網の応答である。誘導性素子が結合される外部回路で生成される信号は、所望の周波数において単一波長でないが、例えば、スイッチングアンプの駆動信号、又はスイッチング整流装置の反射信号のような、所望の周波数で周期的とすることができる。係る場合によっては、誘導性素子に入力する高次の高調波の量を抑制することが望ましかもしれない（例えば、この素子からこれらの高調波の放射を低減するために）。従って、インピーダンスマッチング回路網の選択は、誘導性素子に入力する係る高調波の量を十分に抑制するものとすることができる。
外部の周期信号が電圧供給源信号（直列共振負荷でクラスＤ増幅器の駆動信号のような）として挙動すると考えられることができる信号であり、そのため、より高い周波数で誘導性素子を流れる電流が殆どない場合に、インピーダンスマッチング回路網は、基本波より高い周波数において外部回路により見出されるインピーダンスが高いようにするこができる。図３０〜図３５のトポロジーの中で、インダクタＬ２を使用するものは、このインダクタが高い周波数において高いインピーダンスを提供するので、好適とすることができる。
外部の周期信号が電流供給源信号として挙動すると考えられる信号であって、より高い周波数で誘導性素子の両端に生じる電圧が殆どないときには、インピーダンスマッチング回路網は、基本波より高い周波数において外部回路から見たインピーダンスを低くするこができる。図３０〜図３５のトポロジーの中で、キャパシタＣ２を使用するものは、このキャパシタが高い周波数において低いインピーダンスを提供するので、好適とすることができる。
図３６は、１つの可変キャパシタ、及び残りの固定キャパシタの回路網を使用する可変キャパシタの４つの例を示す。これらの回路網のトポロジーを用いると、全キャパシタンス値の微細な調整可能性が達成され得る。更に、図３６の（ａ）、（ｃ）、（ｄ）のトポロジーは、電圧の大部分が固定キャパシタにわたって割り当てられ得るので、可変キャパシタの両端の電圧を低減するために使用され得る。
図３７は、１つの可変インダクタ及び固定キャパシタの回路網を使用する可変キャパシタの２つの例を示す。特に、これら回路網は、可変リアクタンスの具現化形態を提供し、及び関心のある周波数において、各回路網が、実質的に可変キャパシタンスとすることができる正味の負の可変リアクタンスに対応するように、可変インダクタが使用され得る値を提供することができる。
調整可能なキャパシタ及び調整可能なインダクタのような調整可能な素子は、機械的に調整可能、電気的に調整可能、熱的に調整可能などとすることができる。調整可能な素子は、可変キャパシタ又はインダクタ、バラクタ、ダイオード、ショットキーダイオード、逆バイアスＰＮダイオード、バラクタアレイ、ダイオードアレイ、ショットキーダイオードアレイなどとすることができる。ダイオードは、Siダイオード、GaＮダイオード、SiＣダイオードなどとすることができる。GaＮ及びSiＣダイオードは特に、高電力用途には魅力的とすることができる。調整可能な素子は、電気的に切り換えられるキャパシタバンク、電気的に切り換えられ機械的に調整可能なキャパシタバンク、電気的に切り換えられるバラクタアレイバンク、電気的に切り換えられるトランス結合されたインダクタバンクなどとすることができる。調整可能な素子は、上記で列挙された素子の組合せとすることができる。
上述したように、結合された高Ｑ磁気共振器間の電力伝送の効率は、共振器が共振周波数に如何に接近してマッチングされるか、及びそれらのインピーダンスがシステムの電源および電力消費装置に如何に良好にマッチングされるかにより、影響を受ける。システムにおける外部物体または他の共振器の相対位置、又はそれら相対位置の変更を含む様々な外部要因が、共振周波数および／または高Ｑ磁気共振器の入力インピーダンスを変更する可能性があるので、調整可能なインピーダンス回路網は、様々な環境または動作状況において、十分な電力伝送のレベルを維持するために必要であるかもしれない。
図示されたキャパシタのキャパシタンス値は、磁気共振器の共振周波数および／またはインピーダンスを調整するために調整され得る。キャパシタは、電気的、機械的、熱的に、又は任意の他の知られた方法により調整され得る。キャパシタは、フィードバック信号に応じてのように、手動で又は自動的に調整され得る。キャパシタは、特定の電力伝送効率、又は電源と電力消費装置との間の他の動作特性を達成するために調整され得る。
共振器のインダクタ及び誘導性素子のインダクタンス値は、磁気共振器の周波数および／またはインピーダンスを調整するために調整され得る。インダクタンスは、調整可能なキャパシタ、インダクタ、及びスイッチのような調整可能な構成要素を含む結合回路を用いて調整され得る。インダクタンスは、トランス結合されたチューニング回路を用いて調整され得る。インダクタンスは、誘導性素子の導体の異なるセクションの出入りを切り換えることにより、及び／又は強磁性同調（チューニング）及び／又はミュー同調などを用いて調整され得る。
共振器の共振周波数は、より低い又はより高い周波数に調整され得るか、又は変更することを可能にすることができる。共振器の入力インピーダンスは、より低い又はより高い入力インピーダンス値に調整され得るか、又は変更することを可能にすることができる。供給源により伝えられる及び／又はデバイスにより受け取られる電力の量は、より低い又はより高いレベルの電力に調整され得るか、又は変更することを可能にすることができる。供給源に伝えられる及び／又はデバイス共振器からデバイスにより受け取られる電力の量は、より低い又はより高いレベルの電力に調整され得るか、又は変更することを可能にすることができる。共振器の入力インピーダンス、共振周波数、及び電力レベルは、システムの電力消費装置（単数または複数）に依存して、及び共振器の近傍の物体または材料に依存して調整され得る。共振器の入力インピーダンス、周波数、及び電力レベルは、手動または自動的に調整されることができ、フィードバック又は制御信号、又はアルゴリズムに応じて調整され得る。
回路素子は、共振器に直接的に接続され得る、即ち、物理的な電気コンタクトにより、例えば、誘導性素子を形成する導体の両端部に及び／又は端子接続に直接的に接続され得る。回路素子は、導体にはんだ付けされ、溶接され、圧着され、接着され、挟まれ、又は接近して配置され、或いは様々な電気構成要素、コネクタ又は接続技術を用いて取り付けられ得る。電源および電力消費装置は、磁気共振器に直接的に又は間接的に又は誘導的に接続され得る。電気信号は、端子接続を介して共振器に供給、又は当該共振器から取られることができる。
当業者には理解されるように、ここに述べる原理の実際の具現化形態において、ここに記載された方程式を介して計算された値から実際の構成要素（キャパシタ、インダクタ、抵抗など）の値まで、対称性または非対称性またはその他により示された値から実際の信号（電圧、電流など）の値まで、及び対称性またはその他により示された場所から点（例えば、誘導性素子の中央または「軸」の点などに接近した接地端子の接続点）の実際の幾何学的場所の値まで、関連した許容範囲または許容変動が存在してもよい。
例
システムブロック図
本発明者は、中距離においてワイヤレスでデバイスに電力供給またはデバイスを充電することができる無線電力伝送システム用の高Ｑ共振器の例を開示する。また、高Ｑ共振器の無線電力伝送システムは、システムの任意の供給源共振器とは異なるサイズ、形状、組成、構成などである磁気共振器でもってワイヤレスでデバイスに電力を供給またはデバイスを充電することもできる。
システムブロック図
本発明者は、中距離においてワイヤレスでデバイスに電力供給またはデバイスを充電することができる無線電力伝送システム用の高Ｑ共振器の例を開示する。また、高Ｑ共振器の無線電力伝送システムは、システムの任意の供給源共振器とは異なるサイズ、形状、組成、構成などである磁気共振器でもってワイヤレスでデバイスに電力を供給またはデバイスを充電することもできる。
図１の（ａ）、（ｂ）は、２つの例示的な２共振器システムの高レベルブロック図を示す。これら例示的なシステムはそれぞれ、単一の供給源共振器１０２Ｓ又は１０４Ｓ、及び単一のデバイス共振器１０２Ｄ又は１０４Ｄを有する。図３８は、さらに幾つかの特徴が浮き彫りにされたシステムの高レベルブロック図を示す。ワイヤレスで電力供給される又は充電されるデバイス２３１０は、ＤＣ又はＡＣ、或いはＤＣ及びＡＣの電力が伝送されるデバイス（単数または複数）２３０８と共に、デバイス共振器１０２Ｄ、デバイス電力および制御回路２３０４などを含む又はからなることができる。システムのエネルギー源又は電源は、電源および制御回路２３０２、供給源共振器１０２Ｓなどを含むことができる。デバイス共振器１０２Ｄ、並びに電力および制御回路２３０４から電力を受け取るデバイス（単数または複数）２３０８は、前述されたように任意の種類のデバイス（単数または複数）２３０８とすることができる。デバイス共振器１０２Ｄ及び回路２３０４は、デバイス（単数または複数）のバッテリーを再充電する、デバイス（単数または複数）に直接的に電力を供給する、又は供給源共振器１０２Ｓの近傍にある場合に双方を行うために使用され得るデバイス（単数または複数）２３０８に電力を供給する。
供給源共振器およびデバイス共振器は、数メートルだけ離され得るか、又は互いに非常に接近することができるか、又はそれらの間の任意の距離だけ離され得る。供給源共振器およびデバイス共振器は、互いから水平方向に又は軸方向にオフセットされて（ずらされて）もよい。供給源共振器およびデバイス共振器は、直線的に整列されるか（水平方向のオフセットなし）、或いは数メートル又はそれらの間の任意の距離だけオフセットされてもよい。供給源共振器およびデバイス共振器は、それらの誘導性素子により包囲された表面領域（表面積）が互いにほぼ平行になるように配向され得る。供給源共振器およびデバイス共振器は、それらの誘導性素子により包囲された表面領域が互いにほぼ垂直になるように配向され得るか、又はそれらの間の任意の相対角度（０度〜３６０度）に配向され得る。
供給源共振器およびデバイス共振器は、自立型とすることができるか、又は筐体、容器、スリーブ、又はハウジングに収容され得る。これら様々な筐体は、ほぼ任意の種類の材料から構成され得る。Teflon、REXOLITE、スチレンなどのような低い損失正接の材料が、幾つかの用途に好適とすることができる。供給源共振器およびデバイス共振器は、電源および電力消費装置に一体化され得る。例えば、供給源共振器およびデバイス共振器は、キーボード、コンピュータマウス、ディスプレイ、携帯電話などに組み込むことができ、そのため、それらは、これらデバイスの外側で見ることができない。供給源共振器およびデバイス共振器は、システムにおいて電源および電力消費装置から分離でき、標準的な又は特注のワイヤ、ケーブル、コネクタ又はプラグにより接続されてもよい。
供給源１０２Ｓは、コンピュータのＵＳＢポートを含む、多数のＤＣ又はＡＣ電圧源、電流源、又は電源から電力供給され得る。供給源１０２Ｓは、配電網から、壁コンセントから、バッテリーから、電源から、エンジンから、太陽電池から、電力発生装置から、別の供給源共振器などから、電力供給され得る。供給源電力および制御回路２３０２は、電源から供給源電子回路を分離するための回路および構成要素を含むことができ、そのため任意の反射された電力または信号が供給源の入力端子を通じて結合されない。供給源電力および制御回路２３０２は、力率補正回路を含むことができ、監視、課金、請求書作成、制御、及び類似した機能のために電力使用量を監視するように構成され得る。
システムは、双方向で動作され得る。即ち、デバイス共振器で生成される又はデバイス共振器に蓄積されるエネルギー又は電力は、配電網、バッテリー、任意の種類のエネルギー蓄積ユニットなどを含む電源にフィードバックされる。供給源電力および制御回路は、力率補正回路を含むことができ、双方向のエネルギーの流れに関して、監視、課金、請求書作成、制御、及び類似した機能のために電力使用量を監視するように構成され得る。無線エネルギー伝送システムは、ビヒクル対グリッド（Ｖ２Ｇ）の応用形態を可能にする又は推進することができる。
供給源およびデバイスは、供給源およびデバイスの共振器の動作、及びエネルギー交換の効率に影響を与える可能性がある環境条件、摂動、及びローディング（装荷）条件の変更を、動作点の調整が補償することを可能にするチューニング能力を有することができる。また、チューニング能力は、多数の供給源から、多数のデバイスへの、多数のシステムへの、多数の中継器などへの電力供給を多重伝送するためにも使用され得る。チューニング能力は、手動で制御され得るか、又は自動で制御されることができ、連続的に、周期的に、断続的に、又は計画的な時間または間隔で実行され得る。
デバイス共振器、及びデバイス電力および制御回路は、バッテリー室、又はデバイスのカバー又はスリーブ、又はマザーボードのような、デバイスの任意の部分に組み込まれることができ、例えば標準的な再充電可能なバッテリー又は他のエネルギー蓄積ユニットと共に一体化され得る。デバイス共振器は、デバイス共振器素子、及びデバイス電力および制御電子回路の任意の組合せを電力伝送に使用される電磁界から遮蔽することができ且つ損失性デバイス共振器素子並びにデバイス電力および制御電子回路から離れるように共振器の場を偏向させることができるデバイス場再整形回路を含むことができる。磁性材料および／または高導電率場再整形回路を用いて、共振器のパーターブド品質係数Ｑを増加させると共に、供給源共振器およびデバイス共振器のパーターブド結合係数を増加させることができる。
供給源共振器、及び供給源電力および制御回路は、任意のタイプの家具、構造体、マット、ラグマット、額縁（デジタルピクチャフレーム、電子フレームを含む）、プラグインモジュール、電子デバイス、車両などに組み込まれ得る。供給源共振器は、供給源共振器素子、及び供給源電力および制御電子回路の任意の組合せを電力伝送に使用される電磁界から遮蔽することができる、且つ損失性供給源共振器素子、並びに供給源電力および制御電子回路から離れるように共振器の場を偏向させることができる、供給源場再整形回路を含むことができる。磁性材料および／または高導電率場再整形回路を用いて、共振器のパーターブド品質係数Ｑを増加させると共に、供給源共振器およびデバイス共振器のパーターブド結合係数を増加させることができる。
ワイヤレスで電力供給されるデバイスの例におけるサブシステムのブロック図が図３９に示される。電力および制御回路は、デバイス共振器１０２Ｄからの交流電流電力を変換するように、及びデバイスに電力供給またはデバイスを充電するのに適した安定した直流電力にそれを変換するように設計され得る。電力および制御回路は、デバイス共振器からの一周波数の交流電流電力を、デバイスに電力供給またはデバイスを充電するのに適した異なる周波数の交流電流電力に変換するように設計され得る。電力および制御回路は、インピーダンスマッチング回路２４０２Ｄ、整流回路２４０４、電圧制限回路（図示せず）、電流制限回路（図示せず）、ＡＣ／ＤＣ変換器２４０８回路、ＤＣ／ＤＣ変換器２４０８回路、ＤＣ／ＡＣ変換器２４０８回路、ＡＣ／ＡＣ変換器２４０８回路、バッテリー充電制御回路（図示せず）などを含む、又はからなることができる。
インピーダンスマッチング２４０２Ｄ回路網は、所望の周波数において、デバイス共振器１０２Ｄとデバイス電力および制御回路２３０４との間で伝えられる電力を最大にするように設計され得る。インピーダンスマッチング素子は、共振器の高いＱが保持されるように、選択および接続され得る。動作条件に応じて、インピーダンスマッチング回路２４０２Ｄは、供給源からデバイスへ、供給源からデバイス共振器へ、デバイス共振器とデバイス電力および制御回路との間などで伝えられる電力を制御するために変更または調整され得る。電力信号、電流信号、及び電圧信号は、デバイス回路およびフィードバックアルゴリズム回路および技術の任意の点で監視されることができ、所望の信号レベル及びシステム動作を達成するために構成要素を制御するために使用され得る。フィードバックアルゴリズムは、アナログ又はデジタル回路技術を用いて実現されることができ、回路はマイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイのプロセッサなどを含むことができる。
図３９の３番目のブロックは、デバイス共振器からのＡＣ電圧電力をＤＣ電圧に整流することができる整流器回路２４０４を示す。この構成において、整流器２４０４の出力は、電圧クランプ回路への入力することができる。電圧クランプ回路（図示せず）は、ＤＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｄ又はＤＣ／ＡＣ変換器２４０８Ｄに対する入力において最大電圧を制限することができる。一般に、デバイスの位置および動作の大きなばらつきが許容され得ると同時に、最適な電力がデバイスに伝えられるように、大きな入力電圧のダイナミックレンジを有するＤＣ対ＤＣ／ＡＣ変換器を使用することが望ましいかもしれない。例えば、整流器の出力における電圧レベルは、デバイスの電源入力および負荷の特性が変化するにつれて、変動し、高レベルに到達する可能性がある。デバイスが異なる仕事（タスク）を実行する場合、電力需要が変動するかもしれない。変化する電力需要は、負荷特性が変化する際に整流器の出力において高い電圧を生じる可能性がある。同様に、デバイス及びデバイス共振器は、供給源の近くに及び供給源から更に離れて持って来られるので、デバイス共振器に伝えられる電力は変動し、整流器の出力において電圧レベルの変化を生じることがある。電圧クランプ回路は、整流器回路からの電圧出力が、ＤＣ対ＤＣ／ＡＣ変換器の動作範囲内にある所定値を超えないようにすることができる。電圧クランプ回路を用いて、無線エネルギー伝送システムの動作モード及び範囲を拡張することができる。
デバイスの電力および制御回路の次のブロックは、安定したＤＣ出力電圧を生成することができるＤＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｄである。ＤＣ／ＤＣ変換器（コンバータ）は、ブーストコンバータ、バックコンバータ、ブーストバックコンバータ、シングルエンドの一次インダクタンスコンバータ（ＳＥＰＩＣ）、又は特定の用途の要件に適した他のＤＣ／ＤＣトポロジーとすることができる。デバイスがＡＣ電力を必要とする場合、ＤＣ／ＡＣ変換器がＤＣ／ＤＣ変換器の代わりに使用され得るか、又はＤＣ／ＤＣ変換器の後に、ＤＣ／ＡＣ変換器が続く。デバイスが再充電可能バッテリーを含む場合、デバイス電力および制御回路の最後のブロックは、バッテリー駆動デバイスのバッテリーの充電およびメンテナンスを管理することができるバッテリー充電制御ユニットとすることができる。
デバイス電力および制御回路２３０４は、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイのプロセッサ、マイクロプロセッサ、又は任意の他のタイプのプロセッサのような、プロセッサ２４１０Ｄを含むことができる。プロセッサを用いて、電力および制御回路、及びデバイス共振器の状態または動作点を読み出す又は検出することができる。プロセッサは、回路、素子、構成要素、サブシステム、及び共振器の動作点を解釈する及び調整するためのアルゴリズムを実施することができる。ワイヤレスで電力供給されるデバイスのインピーダンスマッチング、共振器、ＤＣ／ＤＣ変換器、ＤＣ／ＡＣ変換器、バッテリー充電ユニット、整流器などを調整するために、プロセッサが使用され得る。
プロセッサは、他のデバイス又は供給源への無線または有線のデータ通信リンクを有することができ、システムの動作点を調整するために使用され得るデータを送受信することができる。単一の周波数における又は周波数範囲にわたる電力信号、電圧信号、及び電流信号の任意の組合せは、デバイス回路の任意の点で監視され得る。これら信号は、アナログ技術またはデジタル技術、又は組み合わされたアナログ及びデジタル技術を用いて監視され得る。これら監視される信号は、フィードバックループで使用されることができ、又は様々な既知の態様でユーザに伝えられることができ、又は格納されて後で検索され得る。これら信号を用いて、システムのユーザに故障を警告する、性能を示す、又は音声、視覚、振動などを提供し、システムのユーザにフィードバックすることができる。
図４０は、電力を単一又は複数のデバイスに供給するように構成された例示的な無線電力伝送システムの供給源電力および制御回路２３０２の構成要素を示す。例示的なシステムの供給源電力および制御回路２３０２は、家庭用コンセントのようなＡＣ電圧源２５０２、バッテリー、コンピュータのＵＳＢポート、太陽電池、別のワイヤレス電源などのようなＤＣ電圧源から電力供給され得る。供給源電力および制御回路２３０２は、例えば１０ｋＨｚより大きく且つ１００ＭＨｚ未満の周波数を有する交流電流で供給源共振器１０２Ｓを駆動することができる。供給源電力および制御回路２３０２は、１０ＧＨｚ未満の周波数の交流電流で供給源共振器１０２Ｓを駆動することができる。供給源電力および制御回路２３０２は、ＤＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｓ、ＡＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｓ、又はＡＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｓ及びＤＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｓ、発振器２５０８、電力増幅器２５０４、インピーダンスマッチング回路網２４０２Ｓなどを含むことができる。
供給源電力および制御回路２３０２は、複数のＡＣ又はＤＣ電圧源２５０２から電力供給されることができ、必要な電圧レベルを回路構成要素に提供する、並びに供給源共振器を駆動するために使用され得る電力増幅器にＤＣ電圧を提供するために、ＡＣ／ＤＣ及びＤＣ／ＤＣ変換器２４０８Ｓを含むことができる。ＤＣ電圧は、調整可能とすることができ、電力増幅器の出力電力レベルを制御するために使用され得る。供給源は力率補正回路を含むことができる。
発振器２５０８の出力は、供給源共振器１０２Ｓを駆動する電力増幅器２５０４に対する入力として使用され得る。発振器の周波数は、同調可能とすることができ、発振器信号の振幅は、電力増幅器からの出力電力レベルを制御するという意味で変更され得る。発振器信号の周波数、振幅、位相、波形、及びデューティサイクルは、アナログ回路により、デジタル回路により、又はアナログ及びデジタル回路の組合せにより制御され得る。制御回路は、マイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイのプロセッサなどのような、プロセッサ２４１０Ｓを含むことができる。
供給源共振器およびデバイス共振器のインピーダンスマッチングのブロック２４０２は、電力を調整、並びに回路および供給源共振器およびデバイス共振器を制御するために使用され得る。例えば、これら回路のチューニングは、外部物体またはシステムの供給源とデバイスとの間の距離の変化に起因して、供給源共振器またはデバイス共振器のＱファクタＱの摂動を調整することができる。また、これら回路のチューニングは、動作環境を検出するために、１つ又は複数のデバイスに流れる電力を制御するために、無線電力回路網への電力を制御するために、危険又は故障モードの条件が検出された場合に電力を低減するなどのために使用され得る。
電力信号、電圧信号、及び電流信号の任意の組合せは、供給源回路の任意の点で監視され得る。これら信号は、アナログ技術、又はデジタル技術、又は組み合わされたアナログ技術とデジタル技術を用いて監視され得る。これら監視される信号は、フィードバック回路で使用されることができ、又は様々な既知の態様でユーザに伝えられることができ、又は格納されて後で検索され得る。これら信号を用いて、ユーザにシステム故障を警告する、ユーザに安全性の限界値を超えていることを警告する、性能を示す、又は音声、視覚、振動などを提供し、システムのユーザにフィードバックすることができる。
供給源電力および制御回路は、プロセッサを含むことができる。プロセッサを用いて、電力および制御回路、及び供給源共振器の状態または動作点を読み出すことができる。プロセッサは、回路、素子、構成要素、サブシステム、及び共振器の動作点を解釈する及び調整するためのアルゴリズムを実施することができる。供給源のインピーダンスマッチング、共振器、ＤＣ／ＤＣ変換器、ＡＣ／ＤＣ変換器、発振器、電力増幅器などを調整するために、プロセッサが使用され得る。システムのプロセッサ及び調整可能な構成要素は、周波数および／または時間電力多重化供給の方式を実現するために使用され得る。プロセッサは、デバイス及び他の供給源への無線または有線のデータ通信リンクを有することができ、システムの動作点を調整するために使用されるデータを送受信することができる。
詳細な及び特定の設計がこれらのブロック図に示されるが、当業者には明らかなように、コンポーネント及び構成要素の多くの様々な変形および再構成は、例示的なシステムの思想の範囲内にあることができる。回路の部分は、例証目的のために概略的に示され、当業者には明らかなように、各ブロックの構成要素は、より小さいブロックに更に分割、結合または共用されてもよい。同等の例において、電力および制御回路は、個々のディスクリート部品、又はより大きな集積回路から構成され得る。例えば、整流器回路は、ディスクリートのダイオードから構成されることができ、又は単一チップ上に集積されたダイオードを使用することができる。多数の他の回路および集積デバイスは、電力またはサイズ又はコスト又は用途のような設計基準に依存して、設計において置き換えられ得る。電力および制御回路の全部、又は供給源またはデバイス回路の任意の一部は、１つのチップへと集積化され得る。
デバイス及び／又は供給源のインピーダンスマッチング回路網は、キャパシタ又はキャパシタの回路網、インダクタ又はインダクタの回路網、或いはキャパシタ、インダクタ、ダイオード、スイッチ、抵抗などの任意の組合せを含むことができる。インピーダンスマッチング回路網の構成要素は、調整可能および可変とすることができ、システムの効率および動作点に影響を及ぼすように制御され得る。インピーダンスマッチングは、共振器の接続点を制御することにより、磁性材料の透磁率を調整することにより、バイアス磁場を制御することにより、励起の周波数を調整することなどにより、実行され得る。インピーダンスマッチングは、任意の数または組合せのバラクタ、バラクタのアレイ、切り換えられる素子、キャパシタバンク、切り換えられて調整可能な素子、逆バイアスダイオード、空隙キャパシタ、圧縮キャパシタ、ＢＺＴ電気調整キャパシタ、ＭＥＭＳ調整可能キャパシタ、電圧可変誘電体、トランス結合されたチューニング回路などを使用する又は含むことができる。可変構成要素は、機械的に調整され、熱的に調整され、電気的に調整され、圧電的に調整されるなどされ得る。インピーダンスマッチングの素子は、シリコンデバイス、窒化ガリウムデバイス、炭化ケイ素デバイスなどとすることができる。素子は、高い電流、高い電圧、高い電力、或いは電流、電圧および電力の任意の組合せに耐えるように選択され得る。素子は、高Ｑ素子となるように選択され得る。
供給源のマッチング及びチューニングの計算は、デバイスに電力供給するＵＳＢポートを介して外部デバイスで実行され得る。デバイスは、コンピュータ、ＰＤＡ、又は他のコンピュータプラットフォームとすることができる。
複数の電子消費者装置をワイヤレスで電力供給／再充電するために、デバイス共振器に結合された供給源共振器を使用した実演例は、以下に限定されないが、ラップトップコンピュータ、ＤＶＤプレイヤ、プロジェクタ、携帯電話、ディスプレイ、テレビ、プロジェクタ、デジタルピクチャフレーム、ライト（照明）、ＴＶ／ＤＶＤプレイヤ、携帯音楽プレイヤ、回路遮断器、ハンドヘルドツール、携帯情報端末、外部バッテリー充電器、マウス、キーボード、カメラ、能動負荷などを含む。様々なデバイスが単一のデバイス共振器から同時に電力供給され得る。デバイス共振器は、供給源共振器として同時に動作され得る。デバイス共振器に供給される電力は、その意図されたデバイス共振器に伝えられる前に、追加の共振器を通過することができる。
監視、フィードバック及び制御
いわゆるポートパラメータ測定回路は、システムの特定の電力、電圧、及び電流信号を測定または監視することができ、プロセッサ又は制御回路は、それら測定値に基づいて特定の設定値または動作パラメータを調整することができる。これらポートパラメータの測定値に加えて、システムの全体にわたる電圧および電流信号の大きさ及び位相、並びに電力信号の大きさは、システム性能を測定または監視するためにアクセスされ得る。本明細書の全体にわたって言及される測定信号は、ポートパラメータの信号、並びに電圧信号、電流信号、電力信号などの任意の組合せとすることができる。これらパラメータは、アナログ又はデジタル信号を用いて測定されることができ、それらはサンプリング及び処理されることができ、それらは多数の既知のアナログ及びデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換され得る。測定信号または監視信号は、フィードバック回路またはシステムで使用されて、共振器および／またはシステムの動作が制御され得る。一般に、本発明者は、これら監視信号または測定信号を、基準信号、又はポートパラメータ測定値または信号と呼ぶが、それらは時として、エラー信号、監視信号、フィードバック信号などとも呼ばれる。本発明者は、電圧制御キャパシタを駆動するために使用される電圧のような、回路素子を制御するために使用される信号を、制御信号と呼ぶ。
いわゆるポートパラメータ測定回路は、システムの特定の電力、電圧、及び電流信号を測定または監視することができ、プロセッサ又は制御回路は、それら測定値に基づいて特定の設定値または動作パラメータを調整することができる。これらポートパラメータの測定値に加えて、システムの全体にわたる電圧および電流信号の大きさ及び位相、並びに電力信号の大きさは、システム性能を測定または監視するためにアクセスされ得る。本明細書の全体にわたって言及される測定信号は、ポートパラメータの信号、並びに電圧信号、電流信号、電力信号などの任意の組合せとすることができる。これらパラメータは、アナログ又はデジタル信号を用いて測定されることができ、それらはサンプリング及び処理されることができ、それらは多数の既知のアナログ及びデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換され得る。測定信号または監視信号は、フィードバック回路またはシステムで使用されて、共振器および／またはシステムの動作が制御され得る。一般に、本発明者は、これら監視信号または測定信号を、基準信号、又はポートパラメータ測定値または信号と呼ぶが、それらは時として、エラー信号、監視信号、フィードバック信号などとも呼ばれる。本発明者は、電圧制御キャパシタを駆動するために使用される電圧のような、回路素子を制御するために使用される信号を、制御信号と呼ぶ。
場合によっては、回路素子が、供給源共振器およびデバイス共振器の規定の又は所定のインピーダンス値を達成するために調整され得る。別の場合では、インピーダンスは、デバイス共振器が電力消費装置（単数または複数）に接続された場合に、供給源共振器およびデバイス共振器の所望のインピーダンス値を達成するために調整され得る。別の場合では、インピーダンスは、共振周波数の変化、又は供給源共振器および／またはデバイス共振器の移動に起因したインピーダンス又は電力レベルの変化、又は共振器の近傍における環境の変化（例えば、相互作用する材料または物体の移動など）を軽減するために調整され得る。別の場合では、供給源共振器およびデバイス共振器のインピーダンスは、異なるインピーダンス値に調整され得る。
結合された共振器は、異なる材料から作成されることができ、異なる回路、構成要素、及び構造的な設計を含むことができ、又はそれらは同じとすることができる。結合された共振器は、性能監視および測定回路、信号処理および制御回路、又は測定および制御回路の組合せを含むことができる。高Ｑ磁気共振器の幾つか又は全ては、調整可能なインピーダンス回路を含むことができる。高Ｑ磁気共振器の幾つか又は全ては、自動的に制御される調整可能なインピーダンス回路を含むことができる。
図４１は、共振器の特定のパラメータを測定するように構成されたポートパラメータ測定回路３８０２を有する磁気共振器を示す。ポートパラメータ測定回路は、構造体の入力インピーダンス、又は反射電力を測定することができる。ポートパラメータ測定回路は、供給源および／またはデバイス共振器の設計に含められることができ、Ｓパラメータ（散乱パラメータ）、Ｚパラメータ（インピーダンスパラメータ）、Ｙパラメータ（アドミタンスパラメータ）、Ｔパラメータ（伝送パラメータ）、Ｈパラメータ（ハイブリッドパラメータ）、ＡＢＣＤパラメータ（鎖、カスケード又は伝送パラメータ）などのような２ポート回路パラメータを測定するために使用され得る。これらパラメータは、様々なタイプの信号が印加される場合に、線形電気回路網の電気的挙動を記述するために使用される。
異なる動作状況または結合状況の下で電気回路網を特徴付けるために、異なるパラメータが使用され得る。例えば、Ｓパラメータは、マッチングされた及びマッチングされていない負荷を測定するために使用され得る。更に、磁気共振器内の及び／又は供給源およびデバイス自体内の電圧信号および電流信号の大きさ及び位相は、システム性能の情報を生成するために、様々な点で監視され得る。この情報は、光、読み上げ、ビープ音、ノイズ、振動などのようなユーザインターフェースを介してシステムのユーザに提供され得るか、又はデジタル信号として提供され得るか、又はシステムのプロセッサに提供されてシステムの自動制御に使用され得る。この情報は、ログ記録され、格納され、又はより高いレベルの監視および制御システムによって使用される。
図４２は、磁気共振器の回路図を示し、この場合、調整可能なインピーダンス回路網は、電圧制御キャパシタ３９０２又はキャパシタ回路網で実現され得る。係る具現化形態は、プログラム可能電圧源３９０８などのような電気回路および／またはコンピュータプロセッサにより、調整され、チューニングされ、又は制御され得る。例えば、電圧制御キャパシタは、ポートパラメータ測定回路３８０２により取得され、測定分析および制御アルゴリズムサブシステム３９０４により処理されたデータに応じて調整され得る。基準信号は、ポートパラメータ測定回路または所望のシステム動作点からの偏移の程度を測定するように設計された他の監視回路から導出され得る。測定された基準信号は、システムの１つ又は幾つかの点における、及び単一の周波数または複数の周波数における電圧、電流、複素インピーダンス、反射係数、電力レベルなどを含むことができる。
基準信号は、調整可能インピーダンスマッチング回路網の様々な構成要素の値を変更するための制御信号を生成することができる、測定値分析および制御アルゴリズムサブシステムモジュールに供給される。制御信号は、共振周波数および／または磁気共振器の入力インピーダンス、又は供給源により供給される電力レベル、又はデバイスにより引き出される電力レベルを変更して、電源／電力発生装置と電力ドレイン／負荷との間の所望の電力交換を達成することができる。
調整アルゴリズムを用いて、磁気共振器の周波数および／またはインピーダンスを調整することができる。アルゴリズムは、システムの所望の動作点および出力補正からの偏移の程度に関連した基準信号、又は所望の動作点（単数または複数）の方へシステムを戻すためにシステムの可変または調整可能素子を制御するその偏移に関連した制御信号を取り込むことができる。共振器が無線電力送信システムにおいて電力を交換している間に、磁気共振器の基準信号が取得され得るか、又はそれらはシステム動作中に回路から切り換えられ得る。システムに対する補正は、閾値を超える際に、デジタル的に、アナログ方法などを用いて、連続的に、周期的に適用または実行され得る。
図４３は、エンドツーエンド無線電力送信システムを示す。供給源およびデバイスは、ポート測定回路３８０２およびプロセッサ２４１０を含むことができる。「カプラー／スイッチ」と表示されたボックス４００２は、ポート測定回路３８０２が方向性カプラー又はスイッチにより共振器１０２に接続され、供給源共振器およびデバイス共振器の測定、調整、及び制御が、電力伝送の機能と共に、又は係る機能から離れて行われることを可能にすることを示す。
ポートパラメータ測定および／または処理回路は、システムの幾つかの、任意の、又は全ての共振器と共に存在することができる。ポートパラメータ測定回路は、供給源／デバイス共振器の応答（即ち、システムの任意の２つのポート間の伝送および反射）を測定するために、電力送信信号の一部を利用することができ、又は周波数の範囲にわたって励起信号を利用することができ、振幅および／または位相情報を含むことができる。係る測定は、掃引信号周波数の信号で、又は多重周波数信号で達成され得る。共振器および無線電力送信システムを測定および監視するために使用される信号は、プロセッサ（単数または複数）及び標準入出力（Ｉ／Ｏ）回路により生成されることができ、係る標準入出力（Ｉ／Ｏ）回路は、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、増幅器、信号生成チップ、受動素子などを含む。測定は、ネットワーク分析器のような試験装置を用いて、又は専用回路を用いて達成され得る。測定された基準信号は、ＡＤＣによりデジタル化され、コンピュータ、マイクロプロセッサ、ＤＳＰチップ、ＡＳＩＣなどで実行する専用アルゴリズムを用いて処理され得る。測定された基準信号は、アナログ制御ループで処理されてもよい。
測定回路は、Ｓパラメータ、Ｙパラメータ、Ｚパラメータ、Ｈパラメータ、Ｇパラメータ、Ｔパラメータ、ＡＢＣＤパラメータなどのような、２つのポートパラメータの任意の組を測定することができる。測定回路は、駆動回路および共振器回路の様々な点での電流および電圧信号、システムの対向する端部（即ちデバイスに向かって供給源共振器のマッチング回路（図４３の「ポート１」）を調査する及びその逆もまた同じ）における供給源共振器およびデバイス共振器のインピーダンス及び／又はアドミタンスの特性を表すために使用され得る。
デバイスは、関連した信号および／またはポートパラメータを測定し、測定データを解釈し、供給源の動作とは無関係に、結合されたシステムを調査してインピーダンスを最適化するためにそのマッチング回路網を調整することができる。供給源は、関連したポートパラメータを測定し、測定データを解釈し、デバイスの動作とは無関係に、結合されたシステムを調査してインピーダンスを最適化するためにそのマッチング回路網を調整することができる。
図４３は、無線電力送信システムにおける供給源およびデバイスのブロック図を示す。システムは、結合されたシステムでの性能を最適化するために、供給源共振器およびデバイス共振器の何れか又は双方のチューニング／マッチング回路網を能動的に調整する制御アルゴリズムを実行するように構成され得る。ポート測定回路３８０２Ｓは、供給源の信号を測定し、これら信号をプロセッサ２４１０に伝える。プロセッサ２４１０は、測定された信号を性能最適化または安定化アルゴリズムで使用し、これらアルゴリズムの出力に基づいて制御信号を生成することができる。制御信号は、チューニング／インピーダンスマッチング回路２４０２Ｓの可変回路素子に印加されて、共振器の電力およびデバイスに対する結合のような、供給源の動作特性を調整することができる。制御信号は、電源または電力発生装置に印加されて、供給をオン又はオフする、電力レベルを増減する、供給信号を変調するなどすることができる。
供給源とデバイスとの間で交換される電力は、様々な要因に依存する可能性がある。これら要因には、供給源およびデバイスの実効インピーダンス、供給源およびデバイスのＱ、供給源およびデバイスの共振周波数、供給源とデバイスとの間の距離、供給源およびデバイスの近傍の材料および物体の相互作用などが含まれ得る。ポート測定回路および処理アルゴリズムは、動的状態および定常状態の動作条件下で、一致協力して共振器パラメータを調整して、電力伝送を最大化する、電力伝送を一定に保持する、電力伝送を制御可能に調整するなどすることができる。
システムの具現化形態における供給源およびデバイスの幾つか、又は全ては、ポート測定回路３８０２Ｓ及び処理２４１０能力を含む、又はそれらのどれも係るポート測定回路３８０２Ｓ及び処理２４１０能力を含まなくてもよい。図４４は、供給源１０２Ｓだけがポート測定回路３８０２及びプロセッサ２４１０Ｓを含む、エンドツーエンド無線電力送信システムを示す。この場合、デバイス共振器１０２Ｄの動作特性は、固定され得るか、又はアナログ制御回路により、且つプロセッサにより生成された制御信号を必要とせずに調整され得る。
図４５は、エンドツーエンド無線電力送信システムを示す。供給源およびデバイスは、ポート測定回路３８０２を含むが、図４５のシステムにおいて、供給源のみがプロセッサ２４１０Ｓを含む。供給源およびデバイスは、互いに通信して、特定のシステムパラメータの調整は、供給源とデバイスとの間の無線通信回路４２０２を介してのように、ワイヤレスで伝えられた制御信号に応答することができる。無線通信チャネル４２０４は、無線電力伝送チャネル４２０８から分離され得るか、又は同じとすることができる。即ち、電力交換に使用される共振器１０２は、情報交換にも使用され得る。場合によっては、情報は、構成要素、供給源またはデバイス回路を変調し、ポートパラメータ又は他の監視装置でその変化を検知することにより交換され得る。
供給源のみがプロセッサ２４１０を含む具現化形態は、供給源がチューニング及び調整の全ての「決定」を処理し、デバイス（単数または複数）に制御信号を単に戻すように伝えることができるマルチデバイスシステムに有用であるかもしれない。この具現化形態は、デバイスのプロセッサの必要性を取り除き、又は係るプロセッサの必要な機能を低減することができるので、デバイスをより小さく且つより安くすることができる。各デバイスにおける各ポート測定からのデータセットの一部または全部は、分析のために供給源のマイクロプロセッサに返信されることができ、制御命令は、デバイスに返信され得る。これら通信は、無線通信とすることができる。
図４６は、エンドツーエンド無線電力送信システムを示す。この例において、供給源だけが、ポート測定回路３８０２及びプロセッサ２４１０Ｓを含む。供給源およびデバイスは、無線通信回路４２０２を介してのように、互いに通信することができ、特定のシステムパラメータの調整は、供給源とデバイスとの間でワイヤレスで伝えられた制御信号に応答することができる。
図４７は、周波数およびインピーダンスがプロセッサ又はコンピュータを用いて自動的に調整され得る、結合された電磁共振器１０２を示す。供給源共振器およびデバイス共振器の共振周波数のチューニング及び連続したインピーダンス調整は、図４７のＣ１、Ｃ２、Ｃ３として示されたキャパシタ回路網内に包含された逆バイアスダイオード、ショットキーダイオード、及び／又はバラクタ素子で実現され得る。ここに構築および実証された、及び説明された回路トポロジーは、例示であり、自動システムチューニング及び制御の説明を制限することは決して意図されていない。他の回路トポロジーが、ここに述べる測定および制御のアーキテクチャで利用され得る。
デバイス共振器および供給源共振器のインピーダンス及び共振周波数は、Lab View４４０４のようなコントローラで実現された、ネットワーク分析器４４０２Ａ、４４０２Ｂで、又は上述した他の手段により測定され得る。測定回路または装置は、フィードバックアルゴリズムを実現する、及びプログラム可能ＤＣ電圧源を介して周波数およびインピーダンスを動的に調整するコンピュータ又はプロセッサにデータを出力することができる。
一構成において、逆バイアスされたダイオード（ショットキー、半導体接合部など）は、非常に少ないＤＣ電流を引き出す調整可能キャパシタを実現するために使用され、大きな直列出力抵抗を有する増幅器により逆バイアスされ得る。この具現化形態は、磁気共振器の非常に高いＱを維持しながら、ＤＣ制御信号が共振器回路の制御可能な回路素子に直接的に印加されることを可能にする。
図４７に示されるように、必要なＤＣバイアス電圧が異なる場合に、Ｃ２バイアス信号は、ＤＣ阻止キャパシタでＣ１及び／又はＣ３バイアス信号から絶縁され得る。バイアス増幅器の出力は、バイアス増幅器からのＲＦ電圧を絶縁するために回路接地にバイパスされ、基本でないＲＦ電圧が共振器へ導入されることを避けることができる。幾つかのキャパシタに対する逆バイアス電圧は、代わりに共振器自体の誘導性素子を介して印加されてもよく、その理由は誘導性素子がＤＣにおいて短絡として働くからである。
ポートパラメータ測定回路は、共振周波数、入力インピーダンス、共振器により蓄積または捕捉されるエネルギー、或いは供給源により伝えられる又はデバイス負荷に伝えられる電力を自動的に調整するために使用されるフィードバック又は制御システムの一部として、プロセッサ（任意の必要なＡＤＣ及びＤＡＣを含む）と信号を交換することができる。また、プロセッサは、磁気共振器内の、又は磁気共振器に取り付けられたチューニング回路または調整回路に制御信号を送信することができる。
調整可能なキャパシタとしてバラクタ又はダイオードを利用する場合、チューニング／マッチング回路において高い逆バイアス電圧で動作する調整可能なキャパシタに並列および直列に固定キャパシタを配置することが有利であるかもしれない。この構成は、回路およびシステムの安定性の改善、及び調整可能なキャパシタの動作電圧を最適化することにより電力処理能力の改善をもたらすことができる。
バラクタ又は他の逆バイアスダイオードは、電圧制御キャパシタとして使用され得る。バラクタのアレイは、より高い電圧適合性または異なるキャパシタンスが単一のバラクタ構成要素のもの以外に必要とされる場合に、使用され得る。バラクタは、直列に、及び並列に接続されたＮ×Ｍアレイで構成され、アレイの個々のバラクタとは異なる特性を有する単一の２端子構成要素として扱われ得る。例えば、各行の構成要素が並列に接続され、各列の構成要素が直列に接続された同等のバラクタからなるＮ×Ｍアレイは、アレイにおける任意の単一のバラクタと同じキャパシタンスを有する２端子デバイスとして使用され得るが、電圧適合性は、アレイにおける単一のバラクタのＮ倍である。アレイにおける個々のバラクタのパラメータに関するばらつき及び差異に応じて、抵抗、インダクタなどからなる追加のバイアス回路が必要とされるかもしれない。磁気共振器の用途に適することができる、バイアスされていないバラクタの４×４アレイ４５０２の回路図が、図４８に示される。
システム性能の更なる改善は、調整可能な（バラクタ／ダイオード／キャパシタ）素子と並列に及び／又は直列に配置される固定値のキャパシタ（単数または複数）の慎重な選択により実現され得る。回路の出入りを切り換えられる複数の固定キャパシタは、試験、開発、及び稼働中の無線電力伝送システムで遭遇するかもしれない共振器のＱ、インピーダンス、共振周波数、電力レベル、結合強度などの変化を補償することができる。切り換えられるキャパシタバンク及び他の切り換えられる素子バンクは、システム設計により必要とされる動作周波数およびインピーダンス値に収束することを確実にするために使用され得る。
分離された及び結合された磁気共振器の例示的な制御アルゴリズムは、図４７に示された回路およびシステムの素子に関して説明され得る。制御アルゴリズムは最初、供給源共振器およびデバイス共振器のループのそれぞれを「分離して」、即ちシステムの他の共振器がシステムから「短絡された」又は「取り外された」状態で、調整する。事実上、共振器は、例えばＣ１及び／又はＣ３の値を最大化することにより、非常に低い周波数で共振させることにより、「短絡され」得る。このステップは、共振器間の結合を実質的に低減し、それにより特定の周波数およびインピーダンスにおいてシステムを単一の共振器に実質的に低減する。
分離して磁気共振器をチューニングすることは、ポートパラメータ測定回路により測定された値がそれらの所定の相対値、計算された相対値、または測定された相対値になるまで、チューニング及びマッチング回路の調整可能な素子を変更することを含む。ポートパラメータ測定回路により測定された量の所望の値は、所望のマッチングインピーダンス、周波数、強い結合パラメータなどに基づいて選択され得る。以下で開示される例示的なアルゴリズムの場合、ポートパラメータ測定回路は、周波数の範囲にわたってＳパラメータを測定する。共振器の特性を表すために使用される周波数の範囲は、得られるシステム性能情報と計算／測定速度との間の折衷したものとすることができる。以下で説明されるアルゴリズムの場合、周波数範囲は、動作共振周波数の約±２０％とすることができる。
各分離された共振器は、以下のようにチューニングされ得る。最初に、調整されない共振器を短絡する。次に、特徴付けられている及び調整されている共振器のＣ１、Ｃ２、及びＣ３を最小化する。ほとんどの場合、Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３に並列に接続された固定回路素子が存在し、そのためこのステップはキャパシタンス値をゼロまで低減しない。次に、上述した測定周波数の範囲の任意の周波数において、共振器のインピーダンスが「目標（ターゲット）」の実インピーダンスにマッチングされるまで、Ｃ２を増加させることを開始する。最初の「目標」インピーダンスは、結合されたシステムの予想される動作インピーダンス未満とすることができる。
Ｃ２は、最初の「目標」インピーダンスが測定範囲の周波数に対して実現されるまで調整され得る。次いで、Ｃ１及び／又はＣ３は、ループが所望の動作周波数で共振するまで調整され得る。
各共振器は、上記のアルゴリズムに従って調整され得る。分離して各共振器をチューニングした後、第２のフィードバックアルゴリズムが適用されて、結合されたシステムにおける無線送信電力に対して共振周波数および／または入力インピーダンスが最適化され得る。
結合されたシステムにおける各共振器のＣ１及び／又はＣ２及び／又はＣ３に対する必要な調整は、図４３に示された何れかの「ポート（単数または複数）」及び／又は双方の「ポート（単数または複数）」から入力インピーダンスの実数部および虚数部の値を測定および処理することにより求められ得る。結合された共振器の場合、１つの共振器の入力インピーダンスの変更は、他の共振器の入力インピーダンスを変更することができる。制御および追跡アルゴリズムは、１つのポートの測定値に基づいて所望の動作点までそのポートを調整することができ、次いで他のポートの測定値に基づいて係る他のポートを調整することができる。これらステップは、両側が所望の動作点に収束するまで繰り返され得る。
Ｓパラメータが供給源のポート及びデバイスのポートで測定され、次の一連の測定および調整が行われ得る。以下の説明において、Ｚ0は入力インピーダンスであり、目標インピーダンスとすることができる。場合によっては、Ｚ0は５０オーム、又はほぼ５０オームである。Ｚ1及びＺ2は、Ｚ０と同じ値とすることができるか、又はＺ0と異なることができる中間インピーダンス値である。Ｒｅ｛値｝は、値の実数部を意味し、Ｉｍ｛値｝は値の虚数部を意味する。
２つの結合された共振器の入力インピーダンス及び共振周波数を調整するために使用され得るアルゴリズムを以下に記載する。即ち、
1) Adjust each resonator "in isolation" as described above.
2) Adjust source C1/C3 until， at ω0 , Re{S11} = (Z1 +/- εRe) as follows:
- If Re{S11 @ ω0 } > (Z1 + εRe), decrease C1/C3. If Re{S11 @ ω0 } < (Z0 εRe)， increase C1/C3.
3) Adjust source C2 until， at ω0, Im{S11} = (+/- εIm) as follows:
- If Im{S11 @ ω0 } > εIm, decrease C2. If Im{S11 @ ω0 } < -εIm, increase C2.
4) Adjust device C1/C3 until， at ω0, Re{S22} = (Z2 +/- εRe) as follows:
- If Re{S22 @ ω0 } > (Z2 + εRe), decrease C1/C3. If Re{S22 @ ω0} < (Z0 εRe)， increase C1/C3.
5) Adjust device C2 until， at ω0, Im{S22} = 0 as follows:
- If Im{S22 @ ω0 } > εIm, decrease C2. If Im{S22 @ ω0 } < -εIm, increase C2。
1) Adjust each resonator "in isolation" as described above.
2) Adjust source C1/C3 until， at ω0 , Re{S11} = (Z1 +/- εRe) as follows:
- If Re{S11 @ ω0 } > (Z1 + εRe), decrease C1/C3. If Re{S11 @ ω0 } < (Z0 εRe)， increase C1/C3.
3) Adjust source C2 until， at ω0, Im{S11} = (+/- εIm) as follows:
- If Im{S11 @ ω0 } > εIm, decrease C2. If Im{S11 @ ω0 } < -εIm, increase C2.
4) Adjust device C1/C3 until， at ω0, Re{S22} = (Z2 +/- εRe) as follows:
- If Re{S22 @ ω0 } > (Z2 + εRe), decrease C1/C3. If Re{S22 @ ω0} < (Z0 εRe)， increase C1/C3.
5) Adjust device C2 until， at ω0, Im{S22} = 0 as follows:
- If Im{S22 @ ω0 } > εIm, decrease C2. If Im{S22 @ ω0 } < -εIm, increase C2。
本発明者は、（Re{S11}、Im{S11}）及び（Re{S22}、Im{S22}）が、ω0において、（（Ｚ0＋／−εRe）、（＋／−εIm））に収束するまで、ステップ１〜４を繰り返すことにより、実際に役立つシステムを達成した。この場合、Ｚ0は所望のマッチングインピーダンスであり、ω0は所望の動作周波数である。ここで、εImは、ω0において０の所望の値からの虚数部の最大の偏移（偏差）を表し、εReはＺ0の所望の値からの実数部の最大の偏移を表す。理解されるべきは、εImとεReは、システム性能の可能なコスト（効率）において、収束までのステップの数を増減するために調整され得る。また、理解されるべきは、ステップ１〜４は様々なシーケンスで、及び上記で概説されたもの以外の様々な方法（即ち、最初に供給源の虚数部を調整し、次いで供給源の実数部、又は最初にデバイスの実数部を調整し、次いでデバイスの虚数部など）で実行され得る。中間インピーダンスＺ1及びＺ2は、収束するために必要なステップの数を低減するために、ステップ１〜４の間に調整され得る。所望の又は目標のインピーダンス値は、複素数とすることができ、時間的に、又は異なる動作状況の下で変化してもよい。
ステップ１〜４は、任意の順序で、任意の組み合わせで、及び任意の回数で実行され得る。説明した上記のアルゴリズムに関して、ステップ又は説明された具現化形態に対する変形形態は、当業者には明らかになるであろう。上記で概説されたアルゴリズムは、任意の同等の線形回路網のポートパラメータ測定（即ち、Ｚパラメータ、Ｙパラメータ、Ｔパラメータ、Ｈパラメータ、ＡＢＣＤパラメータなど）で、又は上述された他の監視信号でもって実現されることができ、同様に代案としてインピーダンス又はアドミタンスが、同じ結果を導出するために線形回路を分析するために使用され得る。
共振器は、供給源共振器とデバイス共振器との間の相互インダクタンスＭ（結合）の変化により生じる、「負荷をかけられた（ローデッド）」抵抗Ｒｓ及びＲｄの変化に起因して、再チューニングされる必要があるかもしれない。誘導性素子自体のインダクタンスＬｓ及びＬｄの変化は、前述したように外部物体の影響により生じる可能性があり、また補償を必要とするかもしれない。係る変動は、上述された調整アルゴリズムにより軽減され得る。
方向性カプラー又はスイッチを用いて、ポートパラメータ測定回路を供給源共振器およびチューニング／調整回路に接続することができる。ポートパラメータ測定回路は、磁気共振器の特性を測定することができる限り、それは無線電力送信システムの交換電力であり、又はポートパラメータ測定回路はシステム動作中に回路から外へ切り換えられ得る。ポートパラメータ測定回路はパラメータを測定することができ、プロセッサは、起動時に、又は特定の間隔で、或いは特定のシステム動作パラメータの変化に応じて、磁気共振器の特定の調整可能な素子を制御することができる。
無線電力送信システムは、供給源共振器およびデバイス共振器のインピーダンス及び／又は共振周波数を変更または調整するための回路を含むことができる。留意すべきは、チューニング回路が供給源共振器およびデバイス共振器に示されているが、回路は代わりに、供給源共振器またはデバイス共振器のみに含まれてもよく、又は回路は、供給源共振器および／またはデバイス共振器の幾つかのみに含まれてもよい。また、留意すべきは、本発明者は、回路が共振器のインピーダンス及び／又は共振周波数を「チューニング」すると言っているが、このチューニング動作は、構造体のインダクタンス又はキャパシタンスのような様々な電気パラメータが変動していることを単に意味する。場合によっては、これらパラメータは、特定の所定値を達成するために変更されることができ、別の場合では、それらは、制御アルゴリズムに応答して、又は変化している目標の性能値を安定化するために変更され得る。場合によっては、パラメータは、環境の温度、領域内の他の供給源またはデバイスの温度などの関数として変更される。
応用例
各列挙される応用例に関して、当業者には理解されるように、無線電力送信を可能にするために使用される共振器構造体が、給電している又は電力供給されている物体と接続または一体化され得る様々な態様が存在する。共振器は、供給源の物体およびデバイスの物体から物理的に分離され得る。共振器は、従来の誘導性技術を用いて、又は例えばワイヤ又はケーブルを用いた直接的な電気接続を介して、物体に給電する又は物体から電力を取り出すことができる。電気接続は、共振器出力から物体のＡＣ又はＤＣ電力入力ポートまでとすることができる。電気接続は、物体の出力電力ポートから共振器ユニットまでとすることができる。
各列挙される応用例に関して、当業者には理解されるように、無線電力送信を可能にするために使用される共振器構造体が、給電している又は電力供給されている物体と接続または一体化され得る様々な態様が存在する。共振器は、供給源の物体およびデバイスの物体から物理的に分離され得る。共振器は、従来の誘導性技術を用いて、又は例えばワイヤ又はケーブルを用いた直接的な電気接続を介して、物体に給電する又は物体から電力を取り出すことができる。電気接続は、共振器出力から物体のＡＣ又はＤＣ電力入力ポートまでとすることができる。電気接続は、物体の出力電力ポートから共振器ユニットまでとすることができる。
図４９は、電源から物理的に分離されている供給源共振器４９０４、及びこの例においてラップトップコンピュータであるデバイス４９００から物理的に分離されているデバイス共振器４９０２を示す。電力は、供給源共振器に供給されることができ、電力は、電気接続により、直接的にデバイス共振器から引き出され得る。当業者ならば参照により組み込まれる資料から理解されるように、上記の共振器の形状、サイズ、材料組成、構成、位置、及び方向が、制限しない例として提供されており、これらパラメータの任意または全てにおける幅広いバリエーションは、様々な応用形態に関して開示された技術によりサポートされ得る。
ラップトップの例を続けると、これに限定されないが、デバイス共振器は、それが電力供給する又は充電するデバイスに物理的に接続され得る。例えば、図５０の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、デバイス共振器５００２は、ａ）デバイス５０００ハウジングに組み込まれ得るか、又はｂ）それはアダプターにより取り付けられ得る。共振器５００２は、デバイス上で見ることができる（図５０の（ｂ）〜（ｄ））か、又は見ることができない（図５０の（ａ））。共振器はデバイスに固定され得るか、デバイスに組み込まれ得るか、デバイスにプラグ接続されるなどされ得る。
供給源共振器は、システムに電力を供給する供給源に物理的に接続され得る。デバイス及びデバイス共振器に関して上述されたように、共振器が電源に取り付けられ得る、接続され得る、又は一体化され得る様々な態様が存在する。当業者ならば理解されるように、共振器が無線電力送信システムに組み込まれることができ、供給源およびデバイスが類似した又は異なる組み込み技術を利用することができる様々な態様が存在する。
ラップトップコンピュータの例を続けると、これに限定されないが、ラップトップコンピュータは、無線電力送信システムにより電力供給、充電、又は再充電され得る。供給源共振器は無線電力を供給するために使用され、デバイス共振器は無線電力を捕捉するために使用され得る。デバイス共振器５００２は、図５０の（ｄ）に示されるように画面（ディスプレイ）の縁部に、及び／又は図５０の（ｃ）に示されるようにラップトップコンピュータの基部に組み込まれ得る。供給源共振器５００２は、ラップトップコンピュータの基部に組み込まれることができ、デバイス共振器は画面の縁部に組み込まれ得る。また又は代わりとして、共振器は、電源および／またはラップトップコンピュータに取り付けられ得る。また又は代わりとして、供給源共振器およびデバイス共振器は、電源およびラップトップコンピュータから物理的に分離され、ケーブルにより電気接続され得る。また又は代わりとして、供給源共振器およびデバイス共振器は、電源およびラップトップコンピュータから物理的に分離され、従来の誘導的技術を用いて電気結合され得る。当業者には理解されるように、前述の例は、ラップトップコンピュータに対する無線電力送信に関係するが、この応用形態に関して開示された方法およびシステムは、他の電気または電子デバイスと使用するために適切に適合され得る。一般に、供給源共振器は、供給源の外部にあり、デバイスに電力を供給するデバイス共振器に電力を供給することができ、又は供給源共振器は供給源に接続され、デバイスの一部に電力を供給するデバイス共振器に電力を供給することができ、又は供給源共振器は、供給源の内部にあり、デバイスの一部に電力を供給するデバイス共振器に電力を供給することができ、並びにこれらの任意の組合せである。
あるシステムでは、供給源又は供給源共振器は、可動又はアクティブであって、供給源又は供給源共振器を追跡し、又はそれに追従し、又はそれにアタッチする。可動装置の場合には、電力伝達効率を最大にするために供給源共振器とデバイス共振器との間の整列を維持できるのが好ましい。デバイスが移動するときに、供給源又は供給源共振器は、デバイス又はデバイス共振器の位置を追跡し、最適な又は改善された整列を確保するようにその位置を調整する。供給源によるデバイスの追跡は、自動的である。供給源は、デバイスの位置を決定するためのセンサと、アクチュエータ、モーター、磁石、等によりその位置を調整するための手段とを備えている。供給源は、電力効率、磁界、デバイスにより発生される信号、光学的確認、等を測定することによりデバイスの位置を感知する。ある実施形態では、供給源は、デバイスに部分的にアタッチしてもよい。供給源及びデバイスは、供給源及びデバイスを一緒にアタッチさせる磁石を備えている。磁気的なアタッチメントは、テーブルのような支持構造体を通して機能する。磁気的なアタッチメントは、支持構造体を通して供給源をアタッチさせ、デバイスが移動するときにデバイスに追従するように自由に移動可能な供給源とする。例えば、ラップトップの例を続けると、自由に移動可能な構造体にマウントされた供給源は、テーブル表面、ドック、ボックス、等の支持構造体のもとでマウントされる。テーブル表面の上に磁気的アタッチメントが置かれたラップトップは、支持構造体の下に供給源を引き付け、適切な整列を生じさせる。更に、デバイス共振器を伴うラップトップが支持構造体の上を移動され又はスライドされるときには、自由に移動可能な供給源及び供給源共振器は、アクティブな移動メカニズムを必要とせずに供給源とデバイスとの間の磁気的引き付けによりラップトップのデバイス共振器に追従することができる。ある実施形態では、能動的及び受動的な移動メカニズムを組み合わせて使用して、例えば、供給源をデバイスと初期整列させ、その際に、磁気的なアタッチメント手段は、デバイスが移動するときに供給源がデバイスに能動的に追従することを保証する。
ここに開示するシステム又は方法は、以下に限定されないが、電話、携帯電話、コードレス電話、スマートフォン、ＰＤＡ、オーディオ装置、音楽プレイヤ、ＭＰ３プレイヤ、ラジオ、携帯型ラジオ及びプレイヤ、ワイヤレスヘッドフォン、ワイヤレスヘッドセット、コンピュータ、ラップトップコンピュータ、ワイヤレスキーボード、ワイヤレスマウス、テレビ、ディスプレイ、平面ディスプレイ、コンピュータディスプレイ、家具に埋め込まれたディスプレイ、デジタルピクチャフレーム、電子書籍（例えば、Kindle、電子インク書籍、雑誌など）、遠隔制御ユニット（コントローラ、ゲームコントローラ、リモコン、クリッカ等とも呼ばれ、テレビ、ビデオゲーム、ディスプレイ、コンピュータ、視聴覚装置、照明などのような複数の電子機器装置の遠隔制御のために使用される）、照明装置、冷却装置、空気循環装置、浄化装置、補聴器、動力工具、セキュリティシステム、アラーム、ベル、閃光灯、サイレン、センサ、拡声器、電子ロック、電子キーパッド、照明スイッチ、他の電気スイッチなどのような電気または電子デバイスに電力を提供することができる。ここで、用語の電子ロックは、機械的なキーロックの代わりにドアに配置される電子的に動作する（例えば、電子コンボキー、磁気カード、ＲＦＩＤカードなどを用いて）ドアロックを示すために使用される。係るロックは、バッテリー動作される場合が多く、バッテリーが消耗した場合に、ロックが動作を止める可能性の危険にさらされ、ユーザが締め出されたままになる。これは、バッテリーが、ここに述べるような無線電力送信の具現化形態により充電または完全に置き換えられる場合に、回避され得る。
ここで、照明スイッチ（又は他の電気スイッチ）という語は、部屋の別の部分のデバイス（例えば、天井の中央にある照明器具）をオン／オフする、部屋の一部の任意のスイッチ（例えば、部屋の壁上の）を示すことが意図されている。係るスイッチを直接的な接続により設置するために、デバイスからスイッチまでどこでもワイヤを延ばす必要がある。ひとたび係るスイッチが特定の場所に設置されると、それは移動するのが非常に困難である。代わりに、「ワイヤレススイッチ」を想定することができ、この場合、「ワイヤレス」は、スイッチング（オン／オフ）コマンドがワイヤレスで伝えられるが、係るスイッチが従来のように、動作のために電池（バッテリー）を必要とすることを意味する。一般に、家の周りに非常に多くの電池式スイッチを有することは、これら多くの電池が定期的に交換される必要があるので、実際的でない。そのため、ワイヤレス通信スイッチがワイヤレスで電力供給もされる場合、ワイヤレス通信スイッチが非常に好都合である。例えば、電池式である通信用ワイヤレス呼び鈴が既に存在するが、それらの電池を定期的に交換することが依然として必要とされている。遠隔の呼び鈴ボタンは、完全にワイヤレスになるように作成されることができ、この場合、電池を再び交換することは永久に必要ない。留意すべきは、ここで、用語「コードレス」又は「ワイヤレス（無線）」又は「通信用ワイヤレス」は、デバイスと別の電気コンポーネント（例えば、コードレス電話の基地局、ワイヤレスキーボードのコンピュータなど）との間にコードレス又はワイヤレス通信設備が存在することを示すために使用される。当業者ならば認識されるように、任意の電気または電子機器装置は、ワイヤレス通信設備を含み、ここに述べるシステム及び方法を用いて、当該装置に無線電力送信を追加することができる。ここに述べるように、電気または電子機器装置への電力は、外部または内部供給源共振器から、当該装置または当該装置の一部に伝えられ得る。無線電力送信は、供給源共振器のほぼ近傍に入る装置（デバイス）のバッテリー（電池）を充電および／または交換する必要性を大幅に低減することができ、これによりバッテリーに関連することが多い休止時間、コスト、及び廃棄の問題が低減され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、有線の電源またはバッテリーを必要とせずに、照明に電力を供給することができる。即ち、ここに述べるシステム及び方法は、任意の電源に対する有線接続なしで電力を照明に供給することができ、１／４メートル、１メートル、３メートルなどの距離にわたってのように、中距離にわたって非放射的に照明にエネルギーを供給することができる。ここに使用される「照明」は、白熱電球、蛍光電球ランプ、ハロゲンランプ、ガス放電灯、蛍光灯、ネオン放電灯、高輝度放電ランプ、ナトリウム灯、水銀灯、エレクトロルミネセントランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプなどのような光源自体、又は電気スタンド、フロアランプ、天井灯、レール式可動照明、埋め込み式ライトの器具のような照明器具の一部としての照明、又はライト／天井送風器具、及び照明付き額縁などのような他の機能と一体化された照明器具を意味する。そのようなものとして、ここに述べるシステム及び方法は、例えば電気配線の設置を最小限にし、ユーザが有線の電力の供給源に最小限に関連して照明を配置または取り付けることを可能にすることにより、照明を設置するための複雑性を低減することができる。例えば、照明は、供給源共振器の近傍のどこにでも配置されることができ、この場合、供給源共振器は、部屋の上の床に（例えば、特に部屋の上が屋根裏部屋である場合に天井灯の場合でのように）、隣の部屋の壁に、部屋の下の天井に（例えば、フロアランプの場合のように）、又はここに述べるように部屋内の装置に又は部屋のインフラになどのような、照明の場所に対して複数の異なる場所に取り付けられ得る。例えば、ライト／天井送風器の組合せは、主寝室に設置されることが多く、主寝室はその上に屋根裏部屋を有することが多い。この場合、ユーザは、例えばライト／天井送風器の組合せを単に天井に取り付け、取り付けられた器具の上の屋根裏部屋に供給源コイル（家の有線ＡＣ電源にプラグ接続された）を配置することにより、主寝室にライト／天井送風器の組合せをより容易に設置することができる。別の例において、照明は、フラッドライト又は保安灯のような外部ライトとすることができ、供給源共振器は、構造体の内部に取り付けられる。この照明の設置の態様は特に、家を賃借するユーザに有用であり、その理由は、今ユーザが新たな電気配線を設置する必要なしに照明および係る他の電気装置を取り付けることができるからである。また、照明の制御は、ここに述べるような近接場通信により、又は従来のワイヤレス通信方法により伝えられ得る。
ここに述べるシステム及び方法は、デバイスの構成要素に組み込まれた、又はデバイスの構成要素の外側にあるデバイス共振器に供給源共振器から電力を供給することができ、そのため、デバイスの構成要素は、従来の電気構成要素または取付具とすることができる。例えば、天井灯は、デバイス共振器が取付具に組み込まれた状態で設計または係る状態に改造されることができ、或いは天井灯は、従来の配線された取付具とすることができ、デバイス共振器を備えた別個の電気設備にプラグ接続され得る。一例において、電気設備は、例えば部屋の上（例えば、屋根裏部屋）の床に配置された供給源共振器から無線電力を受け取るためにデバイス共振器を有するように設計されたワイヤレス接続箱とすることができ、係る箱は、デバイス共振器から電力供給される多数の従来のコンセントを含む。これで、天井の上に取り付けられたワイヤレス接続箱は、天井の従来の配線された電気構成要素（例えば、天井灯、レール式可動照明、天井ファン）に電力を供給することができる。かくして、天井灯は、建物のインフラを介してワイヤを延ばす必要なしに、天井に取り付けられ得る。従来のコンセント接続箱用のこのタイプのデバイス共振器は、建物の室内または外装のために設計される、携帯型にするために設計される、車両のために作成されることなどを含む、複数の応用形態で使用され得る。無線電力は、木材、板壁、断熱材、ガラス、れんが、石、コンクリートなどのような一般的な建築材料を通って伝送され得る。低減された設置コスト、再構成の可能性、及び増大した適用の柔軟性の利点は、従来の配線による設置よりも優れた顕著な利点をユーザに提供することができる。従来のコンセント接続箱用のデバイス共振器は、効率的な電力伝送を実現するのに必要な特定の周波数を線間電圧に変換する電源電子機器、高い周波数のＡＣを使用可能な電圧および周波数（ＡＣ及び／又はＤＣ）に変換することができる電力捕捉電子機器、電力捕捉装置と電力出力を同期させ且つ一貫性、安全性、及び最大の効率的な電力伝送などを保証する制御装置のような、デバイス共振器から従来のコンセントへの電力伝送を容易にするための複数の電気構成要素を含むことができる。
ここに述べるシステム及び方法は、屋外にあり雨にさらされる、プール／サウナ／シャワーにおいて、海事用途において、気密封止された構成要素内において、防爆室内において、屋外看板に、揮発性な環境における苛酷な産業環境（例えば、穀物サイロ又は製パン所においてのような、揮発性蒸気または空中の有機体から）などのような、濡れる、苛酷な、管理されるなどの環境において動作する照明または電気構成要素に利点を提供することができる。例えば、プールの水位の下に取り付けられた照明は一般に、配線をつなぐことが困難であり、外部ワイヤの必要性にも関わらず、水で密閉される必要がある。しかし、ここに開示された原理を使用するプール照明は、外部ワイヤが必要とされないので、より容易に水で密閉され得る。別の例において、揮発性蒸気を含むような、防爆室は、気密封止される必要があることのみならず、全ての電気コンタクト（火花を生じる可能性がある）もシールされる必要がある。やはり、ここに開示された原理は、係る応用形態に対してシールされた電気構成要素を供給するための好都合な方法を提供することができる。
ここに述べるシステム及び方法は、遠隔の手持ち式ゲームコントローラのような、ゲームコントローラの応用形態に電力を供給することができる。これらゲームコントローラは従来、バッテリーだけにより電力供給されており、この場合、延長されたゲームプレイ中のように、バッテリー、バッテリーパック、再充電可能バッテリーなどの頻繁な交換により生じるゲームコントローラの使用状態および電力プロファイルは、ゲームコントローラに対する一貫した使用に理想的でないかもしれない。デバイス共振器がゲームコントローラ内に配置されることができ、電源に接続された供給源共振器が近傍に配置され得る。更に、ゲームコントローラ内のデバイス共振器は、バッテリーを使用せずにゲームコントローラの電子機器に直接的に電力を供給し、又はバッテリー、バッテリーパック、再充電可能なバッテリーなどに電力を供給し、次いでゲームコントローラの電子機器に電力が供給されるなどである。ゲームコントローラは、複数のバッテリーパックを利用することができ、この場合、各バッテリーパックは、デバイス共振器を備え、かくしてゲームコントローラにプラグ接続されるか否かに関わらず、供給源共振器の近傍にいる間に常に再充電され得る。供給源共振器は、ゲームの主ゲームコントローラ設備に存在することができ、この場合、主ゲームコントローラ設備および供給源共振器は、ＡＣ「家庭用」電力から電力を供給される、又は供給源共振器は、「延長コード」に組み込まれた供給源共振器においてのような、ＡＣ電力を発生する延長設備に存在する、又は供給源共振器はゲームの椅子に存在し、係る椅子は、壁のＡＣにプラグ接続される、主ゲームコントローラ設備にプラグ接続される、ゲームの椅子のバッテリーパックにより電力供給されるなどの少なくとも１つである。供給源共振器は、ここに述べる任意の構成に配置および実現され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、他のバッテリーパックと取り換え可能なバッテリーパックのような、バッテリーパックにデバイス共振器を組み込むことができる。例えば、幾つかの携帯機器は、ユーザが複数の取り換え可能なバッテリーパックを使用するために手元に持っている必要がある、又は動力工具、携帯型ライト、遠隔制御車両などのように、ユーザが供給源共振器の範囲外でデバイスを動作させて、動作を続けるために追加のバッテリーパックを必要とするような、高速で電気エネルギーを使い尽くす可能性がある。ここに開示された原理を使用することにより、使用中および範囲内にある間に、バッテリーパックが再充電されることを可能にするデバイス共振器の方法が提供されることのみならず、供給源共振器の範囲内に配置されて、現在使用中でないバッテリーパックの再充電の方法も提供する。このように、使用されているバッテリーパックの充電を、ユーザが使い切る場合に、バッテリーパックは常に、すぐに使用できる。例えば、ユーザは、ワイヤレス動力工具で作業していることができ、この場合、電流要件は、供給源共振器からの直接的な電力供給を通じて実現され得るものよりも大きい可能性がある。この場合、ここに述べるシステム及び方法が、範囲内にある間に使用中のバッテリーパックに充電電力を提供することができるという事実にも関わらず、電力使用率が再充電率を超えているので、バッテリーパックを依然として使い切る可能性がある。更に、ユーザは、単に範囲の内外に移動することができ、又はデバイスを使用している間に、完全に範囲の外にいるかもしれない。しかしながら、ユーザは、使用中でない間に再充電される、追加のバッテリーパックを供給源共振器の近傍に配置しておくことができ、係る追加のバッテリーパックは現在、使用のために十分に充電されている。別の例において、ユーザは、供給源共振器の近傍から離れて動力工具で作業していることができるが、携帯型供給源共振器または延長コード供給源共振器を有する部屋に、ユーザの車両に、ユーザの工具箱などのように、充電するための追加のバッテリーパックを供給源共振器の近傍に残しておくことができる。このように、ユーザは、今後の利用のためにバッテリーパックにプラグ接続する時間を取ること及び／又は係るプラグ接続することを覚えていることを心配する必要はない。ユーザは、使用済みバッテリーパックを充電済みバッテリーパックに交換し、使用済みバッテリーパックを再充電のために供給源共振器の近傍に配置するだけでよい。デバイス共振器は、既知のバッテリーのフォームファクタ及び底面積を有する筐体に組み込まれ、既知のデバイス及び用途における従来の化学電池に取って代わることができる。例えば、デバイス共振器は、単三バッテリー、単四バッテリー、単一バッテリー、９Ｖバッテリー、ラップトップコンピュータのバッテリー、携帯電話のバッテリーなどに等しい機械的寸法を有する筐体に組み込まれ得る。筐体は、時間または距離に関して、充電を記憶し且つ延長動作を提供するために、デバイス共振器に加えてより小さい「ボタン電池」を含むことができる。ボタン電池に加えて又はその代わりに、他のエネルギー蓄積デバイスが、デバイス共振器および任意の関連した電力変換回路と一体化され得る。これらの新しいエネルギーパックは、従来のバッテリーにより提供されるような類似の電圧および電流レベルを提供するが、デバイス共振器、電力変換回路、小さいバッテリーなどから構成され得る。これらの新しいエネルギーパックは、それらがより容易に再充電されることができ、それらが無線電力区域に位置する場合に常に再充電され得るので、従来のバッテリーよりも長く存続することができる。更に、係るエネルギーパックは、従来のバッテリーよりも軽くでき、使用および保管するのにより安全であり、より広い温度および湿度の範囲にわたって動作でき、廃棄される場合に環境にあまり有害でないなどである。ここに述べるように、これらエネルギーパックは、ここに述べるように無線電力区域で使用される場合に、製品寿命を超えて存続することができる。
ここに述べるシステム及び方法は、ラップトップコンピュータの画面においてのような、しかしより一般的には、テレビ、コンピュータのモニタ、デスクトップコンピュータのモニタ、ラップトップコンピュータのディスプレイ、デジタルフォトフレーム、電子書籍、携帯機器のディスプレイ（例えば、電話、ＰＤＡ、ゲーム、ナビゲーション機器、ＤＶＤプレイヤ）などにおいてのような、今日の電気および電子機器の構成要素で利用される多種多様のディスプレイを含む、視覚ディスプレイに電力供給するために使用され得る。また、ここに述べる１つ又は複数の無線電力送信システムを介して電力供給され得るディスプレイは、電子構成要素（例えば、音響機器、家庭用電気製品、自動車用ディスプレイ、娯楽端末、レジ、リモコン装置）、家具、建物のインフラ、車両、物体の表面（例えば、車両、建物、衣類、看板、移動体の表面）などに埋め込まれるような、埋め込み式ディスプレイを含むことができる。ディスプレイは、ここに述べるようなスマートカードにおいてのような極めて小さい共振デバイスでもって非常に小さくすることができ、又は広告看板においてのように非常に大きくすることができる。また、ここに開示された原理を用いて電力供給されるディスプレイは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜トランジスタＬＣＤ、受動型ＬＣＤ、ブラウン管（ＣＲＴ）、プラズマディスプレイ、プロジェクターディスプレイ（例えば、ＬＣＤ、ＤＬＰ、ＬＣＯＳ）、表面電界ディスプレイ（ＳＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などのような、複数のイメージング技術の任意の１つとすることができる。供給源のコイル構成は、ここに述べるような無線延長コードなどから、建物の電力、車両の電力のような主電源に取り付けること、電気構成要素の基部（例えば、コンピュータの基部、ＴＶ用のケーブル箱）のような構成要素の電源に取り付けること、中間の中継供給源コイルなどを含むことができる。例えば、壁にデジタルディスプレイを掛けることは、ワイヤレスで又は携帯型メモリ装置を介して情報信号を受信するデジタルフォトフレームの場合のように、非常に魅力的とすることができるが、目障りな電源コードの必要性が、それを美的に不愉快にさせる可能性がある。しかしながら、フレーム部分内に包まれるように、デバイスコイルがデジタルフォトフレームに埋め込まれていることにより、デジタルフォトフレームは、全くワイヤを備えずに掛けられることが可能になる。そして、例えば、壁の向こう側の隣の部屋において、従来の電源コンセントに直接的にプラグ接続される、ここに述べるような無線延長コードからの、部屋の中央供給源共振器などからの、供給源共振器が、デジタルフォトフレームの近傍に配置され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、電子機器設備の異なる部分間で無線電力送信を行うことができる。制限せずに、ラップトップコンピュータの例を続けると、ラップトップコンピュータの画面は、ラップトップコンピュータの基部からの電力を必要とする。この場合、電力は従来、画面と基部との間のラップトップコンピュータのヒンジ部分を介したラップトップコンピュータの基部から画面までの直接的な電気接続を介して送られていた。有線接続が利用される場合、有線接続は、擦り切れる及び切断する傾向があり、ラップトップコンピュータの設計の機能性は、必要な直接的な電気接続（直接電気接続と称す）により制限され、ラップトップコンピュータの設計美学は、必要な直接電気接続などにより制限され得る。しかしながら、無線接続が基部と画面との間で行われ得る。この場合、デバイス共振器は、ディスプレイに電力供給するために画面部分に配置され、基部は、第２のデバイス共振器により、従来の有線接続により、共振器−バッテリー−直接電気接続のハイブリッドなどにより、電力供給され得る。これは、物理的な有線接続の除去によって電力接続の信頼性を改善するだけでなく、設計者が、ヒンジに関連した物理的なワイヤの無いことを考慮して、ラップトップコンピュータのヒンジ部分の機能性および／または美観設計を改善することも可能にする。やはり、ラップトップコンピュータは、ここに開示された原理が電気または電子デバイスの設計を如何にして改善することができるかを示すために使用されたが、決して制限として解釈されるべきでない。例えば、ドアに電気的機能（製氷器、センサシステム、ライトなどを含む）を備えた冷蔵庫、ジョイント（関節）により分離された可動部分を有するロボット、車の電力システム及び車のドア内の構成要素などのような、分離した物理的な部分を有する多くの他の電気装置が、ここに述べるシステム及び方法から利益を得ることができる。外部供給源共振器からデバイス共振器を介してデバイスに、或いは外部または内部の供給源共振器からデバイス共振器を介してデバイスの一部に電力を供給するための能力が、電気および電子デバイスの範囲にわたって幅広く適用可能であることは、当業者には認識されるであろう。
ここに述べるシステム及び方法は、充電済みのデバイスと充電されていないデバイスとの間のような、デバイス間の電力の共用を提供することができる。例えば、充電されるデバイス又は電化製品は、供給源のように作動し、所定の量のエネルギー、ダイヤル調整された量のエネルギー、要求および承認された量のエネルギーなどを近くのデバイス又は電化製品に送ることができる。例えば、ユーザは、埋め込まれた供給源共振器およびデバイス共振器を介して電力を送受信することができる携帯電話およびデジタルカメラを有することができ、デバイスの一方、例えば携帯電話は、充電が低いレベルであると判明している。次いで、ユーザはデジタルカメラから携帯電話に電荷を移すことができる。これらデバイスの供給源供給源およびデバイス共振器は、送受信のために同じ物理的共振器を利用することできる、別個の供給源共振器およびデバイス共振器を利用することができる、一方のデバイスが送受信するように設計され得るが、他方が受信だけするように設計される、一方のデバイスが送信だけするように設計され、他方が受信だけするように設計され得るなどである。
デバイスのバッテリーが完全に枯渇するのを防止するために、受け取るデバイスがどれぐらいのバッテリー容量の権利を与えられるかを指定することをユーザに可能にする設定を有することができる。例えば、外部デバイスに利用可能な電力量を制限する、及びバッテリー電力が閾値を下回る場合に電力送信を停止する能力を有することは有用である。
ここに述べるシステム及び方法は、電気設備に関連して、近くの電気または電子機器構成要素に対する無線電力伝送を行うことができ、この場合、供給源共振器は、電気設備内にあり、デバイス共振器は、電子機器構成要素内にある。また、供給源共振器は、例えば、電気設備の万能インターフェース（例えば、ＵＳＢインターフェース、ＰＣカードインターフェース）、追加の電気コンセント、万能接続ポイントなどを介して、電気設備に対して接続、プラグ接続、取り付けられ得る。例えば、供給源共振器は、机の上のコンピュータの構造体の内部にあるか、又はコンピュータに、例えばコンピュータのＵＳＢインターフェースの１つへ接続される何からの物体、パッドなどに組み込まれ得る。物体、パッドなどに埋め込まれ、ＵＳＢインターフェースを介して電力供給される供給源共振器の例において、供給源共振器は、任意の他の電子機器デバイスに組み込まれる必要なしに、ユーザのデスクトップに容易に追加されることができ、かくして複数の電気および／または電子機器デバイスが電力供給され得る無線エネルギー区域が、好都合に提供される。電気設備は、コンピュータ、照明器具、専用供給源共振器の電気設備などとすることができ、近くの構成要素は、コンピュータ周辺機器、周囲の電子機器構成要素、インフラ装置などとすることができ、例えば、コンピュータのキーボード、コンピュータのマウス、ファクシミリ、プリンタ、スピーカシステム、携帯電話、オーディオ装置、インターコム、音楽プレイヤ、ＰＤＡ、照明、電気鉛筆削り、送風機、デジタルピクチャフレーム、計算機、コンピュータゲームなどである。例えば、コンピュータシステムは、「ワイヤレスキーボード」及び「ワイヤレスマウス」を利用する、組み込まれた供給源共振器を備える電気設備とすることができ、この場合、用語のワイヤレスの使用は、各デバイスとコンピュータとの間に無線通信設備が存在することを示すことが意図されており、各デバイスは依然として別個のバッテリー電源を含む必要がある。この結果、バッテリーは周期的に交換される必要があり、大企業では、バッテリー交換のサポート要員、バッテリーのコスト、及び適切なバッテリーの廃棄にかなりの負担という結果になる。代わりに、ここに述べるシステム及び方法は、コンピュータの本体からこれら周辺装置のそれぞれへの無線電力送信を行うことができ、ここに説明されるように、キーボード及びマウスに電力供給するだけでなく、ファクシミリ、プリンタ、スピーカシステムなどのような他の周辺機器の構成要素にも電力供給することを含む。電気設備に組み込まれた供給源共振器は、複数の周辺装置、ユーザデバイスなどに対する無線電力送信を行うことができ、そのため電気設備に組み込まれた供給源共振器の近傍にあるデバイスのバッテリーを充電および／または交換する必要性が大幅に低減される。また、電気設備は、電気設備と無線電力供給デバイスとの間の電力伝送パラメータを調整するために、チューニング又は自動チューニングのソフトウェア、アルゴリズム、機能などを提供することもできる。例えば、電気設備は、ユーザのデスクトップ上のコンピュータとすることができ、供給源共振器は、コンピュータに組み込まれ得るか、又はコンピュータにプラグ接続されることができ（ＵＳＢ接続を介して）、この場合、コンピュータはチューニングアルゴリズムを提供するための機能を提供する（例えば、コンピュータで実行されているソフトウェアプログラムを介して）。
ここに述べるシステム及び方法は、設備のインフラの構成要素に関連して近くの電気または電子機器構成要素に対する無線電力伝送を行うことができ、この場合、供給源共振器は、設備のインフラの構成要素内にあるか、又は係る構成要素に装着され、デバイス共振器は電子機器構成要素内にある。例えば、設備のインフラの構成要素は、１個の家具、固定壁、可動式間仕切り又はパーティション、天井、床、及びテーブル又は机に取り付けられた又は組み込まれた供給源共振器（例えば、その表面の直ぐ下／上に、側面に、テーブルの上面またはテーブルの脚に組み込まれた）、床の上に配置されたマット（例えば、机の下、机の上に配置された）、ガレージの床のマット（例えば、車および／または車内のデバイスを充電するために）、駐車場／ガレージ内のもの（例えば、駐車される場所の近くの支柱に）、テレビ（例えば、リモコンを充電するために）、コンピュータのモニタ（例えば、ワイヤレスキーボード、ワイヤレスマウス、携帯電話に対する電力供給／充電のために）、椅子（例えば、電気毛布、医療機器、個人の健康監視装置に電力供給するために）、絵画、オフィス家具、一般的な家庭電化製品などとすることができる。例えば、設備のインフラの構成要素は、立方体のオフィスの照明器具とすることができ、この場合、照明器具内の供給源共振器およびライトは、設備の有線電源に直接的に接続される。しかしながら、ここで照明器具に供給源共振器が設けられた場合、デバイス共振器に接続される又はデバイス共振器と一体化されるこれら近くの電気または電子機器構成要素に対する任意の追加の有線接続を備える必要はない。更に、ここに述べるように、デバイス共振器を備えるデバイスのバッテリーを交換する必要性も低減され得る。
中心の位置から、例えば電気設備の供給源共振器から、設備のインフラの構成要素などから、電気および電子デバイスに電力を供給するために、ここに述べるシステム及び方法を使用することは、周囲の作業領域の電気配線インフラを最小限にするこができる。例えば、企業のオフィス空間には、有線接続により電力供給される必要がある電気および電子デバイスが一般に非常に多く存在する。ここに述べるシステム及び方法を利用することにより、これら配線の大部分が取り除かれ、企業の出費が減じられ、設置コストが節約され、電気配線を有するオフィスの壁に関連した物理的な制限が低減され、電源コンセント及び電源コードなどの必要性が最小限にされる。ここに述べるシステム及び方法は、設置、再設置（例えば、オフィス空間の再構成）、メンテナンスなどに関連した電気インフラの低減を通じて企業のコストを削減することができる。別の例において、ここに開示された原理は、部屋の中央に電気コンセントをワイヤレスで配置することを可能にする。ここで、供給源は、コンセントを置くことを望む床の場所の下にある地下室の天井に配置され得る。デバイス共振器は、そのすぐ上の部屋の床に配置され得る。天井の中央に新しい照明器具（又は、その事項に関して任意の他の電気デバイス、例えばカメラ、センサなど）を設置することは、今や同じ理由で著しく容易になる。
別の例において、ここに述べるシステム及び方法は、壁を「通して」電力を供給することができる。例えば、１つの部屋に（例えば、壁に）電気コンセントを有するが、電気技術者を呼ぶ、又は壁にドリルで穴を開ける、又は壁の周りにワイヤを引くなどする必要なしに、隣の部屋にコンセントを設けたいことを仮定する。１つの部屋の壁に供給源共振器を置き、壁の向こう側にデバイス共振器のコンセント／ピックアップを置くことができる。これは、平面型ＴＶまたはステレオシステムなどに電力供給することができる（例えば、リビングルームの壁をはう醜いワイヤを設けることを望まないが、隣の部屋、例えば収納室またはクローゼット、又は壁に沿って延びているワイヤを見えないようにする家具を備えた部屋の壁を類似したワイヤがはうことを気にしないかもしれない）。ここに述べるシステム及び方法は、屋内の供給源から家または建物の外の様々な電気デバイスに、これら外壁を貫通してドリル開けされた穴、又はこれら外壁に設置されたコンジットを必要とせずに、電力を伝送するために使用され得る。この場合、デバイスは、壁およびサイディングを貫通するドリル穴に関連した美的または構造的損傷または危険性なしに、建物の外でワイヤレスで電力供給され得る。更に、ここに述べるシステム及び方法は、電気構成要素を備えた屋外用のデバイス共振器に対して、屋内の供給源共振器を配置することに役立つ配置センサを提供することができる。例えば、自宅の所有者は、無線デバイス共振器を含む保安灯をその家の外に配置することができ、そして今、家の内部に供給源共振器を適切に又は最適に配置する必要がある。供給源共振器とデバイス共振器との間で働く配置センサは、配置が良好、又は或る程度まで良好になる時に、例えば視覚表示、音声指示、ディスプレイ表示などで示すことにより、その配置をより良好に可能にすることができる。別の例において、同様に、ここに述べるシステム及び方法は、家または建物の屋根に、機器、例えば無線送信器および受信器、太陽電池パネルなどを設置することを行うことができる。太陽電池パネルの場合、供給源共振器は、パネルに関連付けられることができ、電力は、屋根に穴を開ける必要なしに、建物の内部の配電パネルにワイヤレスで伝送され得る。ここに述べるシステム及び方法は、車両、例えば自動車、船、飛行機、列車などの壁の向こう側に（例えば、屋根などを介して）、ドリルで穴を開ける必要性なしに、電気または電子構成要素の装着を可能にすることができる。このように、車両の壁は、ドリルで開けられた穴を備えずに、損傷を受けていないままとすることができ、かくして車両の価値が維持され、水密性が維持され、ワイヤを配線する必要性などが取り除かれる。例えば、サイレン又はライトを警察車の屋根に取り付けることは、車の将来的な転売価格を低減させるが、ここに述べるシステム及び方法を用いる場合、任意のライト、ホーン、サイレンなどは、ドリルで穴を開ける必要性なしに屋根に取り付けられ得る。
ここに述べるシステム及び方法は、太陽光発電（ＰＶ）パネルからの電力の無線伝送に使用され得る。無線電力伝送能力を備えるＰＶパネルは、より簡単な取り付け、より大きな柔軟性、信頼性、及び全天候型設計を含む幾つかの利点を有することができる。無線電力伝送は、ＰＶパネルからデバイス、家、車両などへ電力を伝送するために使用され得る。太陽ＰＶパネルは、そのＰＶパネルが無線電力を受け取ることを可能にされたデバイスに直接的に電力供給することを可能にする無線供給源共振器を有することができる。例えば、太陽ＰＶパネルは、車両、建物などの屋根の上へ直接的に取り付けられ得る。ＰＶパネルにより捕捉されたエネルギーは、車両の内側または建物の屋根の下のデバイスに直接的にワイヤレスで伝送され得る。共振器を有するデバイスは、ＰＶパネルからの電力をワイヤレスで受け取ることができる。ＰＶパネルからの無線電力伝送は、家、車両などの有線電気システムに結合された共振器にエネルギーを伝送するために使用され、外部のＰＶパネルと内部の電気システムとの間の任意の直接的な接触を必要とせずに、従来の配電および従来のデバイスの電力供給を可能にする。
無線電力伝送を用いることにより、ＰＶパネルの屋根の取り付けを著しく簡単にすることができ、その理由は、電力がパネルから家の捕捉共振器にワイヤレスで送信されることができ、全ての外部の配線、コネクタ及びコンジット、及び構造体の屋根または壁を貫通する任意の穴が除外されるからである。太陽電池で使用される無線電力伝送は、パネル、ひも状のもの、及び接続箱を相互接続するために、電気技術者が屋根で作業する必要性をなくすので、屋根の危険性を低減できるという利益を有することができる。無線電力伝送と一体化された太陽電池パネルの取り付けは、電気接触が行われる必要性がほとんどないので、熟練労働者をさほど必要としない。場所の詳細な設計は、無線電力伝送であまり必要とされず、その理由は、当該技術が、各太陽ＰＶパネルを別個に最適化および配置するための能力を設置者に与え、高価なエンジニアリング及びパネルレイアウトの点検の必要性が著しく低減されるからである。全てのパネルで太陽の負荷を入念に平衡させる必要はなく、特殊化したＤＣ配線レイアウト及び相互接続も必要ない。
ＰＶパネルの屋根または壁上の設置に関して、捕捉共振器は、屋根の下側、壁の内側、或いは１フィート（３０．４８ｃｍ）又は２つの太陽ＰＶパネル以内の容易にアクセス可能な任意の他の内部空間に取り付けられ得る。一般的な屋根の上面のＰＶパネルの可能な設置を示す図が、図５１に示される。様々なＰＶソーラーコレクターが、屋根の下の建物の内部に取り付けられた無線電力捕捉コイルと共に、屋根の上に取り付けられ得る。ＰＶパネルの共振器コイルは、屋根を介して無線捕捉コイルにワイヤレスでそれらのエネルギーを伝送することができる。ＰＶセルからの捕捉されたエネルギーは、集められ、家の電気システムに結合されて電気および電子デバイスに電力供給するか、又は必要とされるものよりも多くの電力が生成される場合には、電力網に結合される。エネルギーは、建物の屋根または壁を貫通する穴またはワイヤを必要とせずに、ＰＶセルから捕捉される。各ＰＶパネルは、車両または建物の内部の対応する共振器に結合される共振器を有することができる。複数のパネルは、互いの間で無線電力伝送を利用し、車両または家の内部の共振器に結合される１つ又は２つの指定パネルに電力を伝送または集めることができる。パネルは、他の同様のパネルに配置された共振器に結合することができる無線電力共振器をそれらの側面または周辺部に有することができ、それによりパネル間の電力の伝送を可能にする。建物または車両の外部の複数のパネルからの電力をワイヤレスで結合する、及び建物または車両の内部の１つ以上の共振器に電力を伝送する追加のバス又は接続構造が、設けられてもよい。
例えば、図５１に示されるように、供給源共振器５１０２は、建物の屋根５１０４の上に取り付けられたＰＶセル５１００に結合され得る。対応する捕捉共振器５１０６が、建物の内部に配置される。次いで、ＰＶセルにより捕捉された太陽エネルギーは、建物を貫通する真っ直ぐな穴および接続を備えていない建物の外部の供給源共振器５１０２と係る建物の内部のデバイス共振器５１０６との間で伝送され得る。
無線電力伝送を備える各太陽ＰＶパネルは、それ自体のインバータを有することができ、各パネルの電力生成効率を別個に最適化すること、１回の設置においてパネルのサイズとタイプの混合をサポートすること、単一のパネルの「成長に合わせて投資」のシステム拡張を含むことにより、これらソーラーシステムの経済性が著しく改善される。設置コストの低減は、設置に関して単一パネルを安価にする。パネルの一続きの設計および複数のパネルの慎重な配置と配向の必要性が除去され、システムの単一点障害が除去される。
ＰＶソーラーパネルにおける無線電力伝送は、より多くのソーラーの配置の計画を可能にすることができ、その理由は、防塵防滴（weather-sealed）のソーラーＰＶパネルが、車の屋根や船の甲板のようなシールされた表面を通して配線するためにドリルで穴を開ける必要性を無くし、パネルが固定場所に設置される要件を無くすからである。無線電力伝送を用いることにより、ＰＶパネルは、一時的に配置され、その後、周囲の構造体に永久的な変更を残さずに移動され又は除去されることができる。例えば、それらは、明るく晴れた日に構内の外に配置されて、太陽に追従するようにあちこち移動され、或いは掃除または保管のために中へ運ばれ得る。裏庭または移動できるソーラーＰＶの応用形態の場合、無線エネルギー捕捉デバイスを備えた延長コードが地面に投げられるか、又はソーラーユニットの近くに配置され得る。捕捉延長コードは、完全に素子から密封されて絶縁されており、そのため、それは、任意の屋内または屋外の環境で使用され得る。
無線電力伝送を用いることにより、ワイヤ又は外部接続の必要性がなく、ＰＶソーラーパネルは、完全に防塵防滴とすることができる。ソーラーＰＶ発電および送信回路における電気構成要素の著しく改善された信頼性と寿命は、防塵防滴の筐体がＵＶ放射、湿度、風雨などから構成要素を保護することができるので、期待され得る。無線電力伝送および防塵防滴の筐体を用いることにより、構成要素がもはや外部要因および気象要素に直接的にさらされないので、安価な構成要素を使用することが可能であり、ＰＶパネルのコストが低減され得る。
ＰＶパネルと建物または車両の内部の捕捉共振器との間の電力伝送は、双方向性とすることができる。エネルギーは、ＰＶパネルが特定の仕事（タスク）を行うための十分なエネルギーを備えていない場合に電力を供給するために、家の配電網からＰＶパネルに伝えられ得る。電力の逆の流れは、パネルから雪を溶かすために、又は太陽エネルギーに対してより好適な位置にパネルを配置するモーターに電力供給するために使用され得る。ひとたび雪が溶ければ、又はパネルが再配置されれば、ＰＶパネルはそれ自体のエネルギーを生成することができ、電力伝送の方向は、ＰＶパネルから建物、車両、又はデバイスへ電力を伝える正常に戻され得る。
無線電力伝送を伴うＰＶパネルは、無線コレクターへの最大の及び効率的な電力伝送を保証するために、設置の自動チューニングを含むことができる。様々な設置における屋根材の違い又はＰＶパネルと無線電力コレクターとの間の距離のばらつきは、性能に影響を及ぼし、無線電力伝送の共振器の特性に摂動を与える可能性がある。設置の複雑性を低減するために、無線電力伝送の構成要素は、材料または距離に起因した任意の影響を補償するために、それらの動作点を自動的に調整するためのチューニング能力を含むことができる。周波数、インピーダンス、キャパシタンス、インダクタンス、デューティサイクル、電圧レベルなどは、効率的で安全な電力伝送を確実にするために調整され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、一時的に無線電力区域を提供するために、又は従来の電気コンセントを無線電力区域まで延長するために使用され得る（例えば、無線電力延長コードの使用を通じて）。例えば、無線電力延長コードは、従来の電源コンセントに接続するためのプラグ、従来の電源延長コードのような長いワイヤ、及び他方の端部の共振器供給源コイル（例えば、従来の延長コードのソケット端部の代わりに、又は係るソケットに加えて）として構成され得る。また、無線延長コードに沿って複数の場所に供給源共振器が存在する無線延長コードも構成され得る。この構成は、便利な電源コンセントが存在しない場所（例えば、コンセントの無いリビングルームの場所）に無線電力を供給する、並びに配線された電源インフラが存在しない所（例えば、工事現場）で、及びコンセントが存在しない構内（例えば、パーティのために、又は従来の電気コードを切断する可能性を低減するためにワイヤレスで電力供給される庭手入れ用道具のために）に出て一時的に無線電力を供給するなどのような、無線電力供給の構成されたデバイスが存在する場合に、任意の従来の延長コードを置き換えることができる。また、無線延長コードは、壁または構造体内の引き込み線としても使用され、当該引き込み線の近傍内に無線電力区域を提供することができる。例えば、無線延長コードは、新しい又はリフォームされた部屋の壁内に引かれて、従来の電気配線およびコンセントの設置を必要とせずに、無線電力区域を提供することができる。
ここに述べるシステム及び方法は、車両の可動部品または回転組立体、ロボット、機械装置、風力タービン、或いはロボットアーム、建設車両、可動プラットフォームなどのような可動部品を備える任意の他のタイプの回転装置または構造体の間で、電力を供給するために利用され得る。従来、係るシステムの電力は、例えば、スリップリングにより、又はロータリージョイントにより提供されていた。ここに述べるような無線電力伝送を使用することにより、これらデバイスの設計の簡略化、信頼性、及び寿命が著しく改善されることができ、その理由は、時間の経過につれてすり減る又は摩滅する可能性がある任意の物理的接続または接点を用いずに、或る距離範囲にわたって電力が伝送され得るからである。特に、供給源コイル及びデバイスコイルの好適な同軸および平行の位置合わせは、２つのコイルの相対的な回転運動により激しく変調されない無線電力伝送を行うことができる。
ここに述べるシステム及び方法は、一連の供給源共振器−デバイス共振器−供給源共振器−デバイス共振器を提供することにより、単一の供給源共振器の届く距離を超えて、電力ニーズを広げるために利用され得る。例えば、既存の一戸建てのガレージが電力を備えておらず、所有者が今、新しい電力サービスを設置することを望んでいると仮定する。しかしながら、所有者は、ガレージの全体にわたってワイヤを引くことを望まないかもしれないし、又は構造体の全体にわたって電気コンセントを配線するために壁に侵入する必要があるかもしれない。この場合、所有者は、供給源共振器を新しい電力サービスに接続することを選択することができ、それにより、無線電力が、ガレージの裏の全体にわたるデバイス共振器コンセントに供給されることが可能になる。次いで、所有者は、デバイス−供給源「中継器」を設置して、ガレージの表のデバイス共振器コンセントに無線電力を供給することができる。即ち、電力中継器は今、主供給源共振器から無線電力を受け取り、次いで利用可能な電力を、ガレージの表の第２の組のデバイス共振器に電力を供給するために第２の供給源共振器に供給する。この構成は、何度も繰り返されて、供給される無線電力の有効範囲を延ばすことができる。
複数の共振器を用いて、エネルギー遮断材料の周りに電力ニーズを広げることができる。例えば、供給源共振器をコンピュータ又はコンピュータのモニタに組み込むことが望ましく、そのため当該共振器は、モニタ又はコンピュータの周りに、特に前に配置されたデバイス、例えば、キーボード、コンピュータのマウス、電話などに電力を供給することができる。美観、スペースの制約などに起因して、供給源共振器に使用され得るエネルギー供給源は、モニタ又はコンピュータの後ろのみに配置または接続され得る。コンピュータ又はモニタの多くの設計において、金属構成要素および金属を含む回路が、設計およびパッケージングに使用され、それらは、モニタ又はコンピュータの後ろの供給源共振器からモニタ又はコンピュータの前への電力伝送を制限および妨げる可能性がある。追加の中継器共振器は、モニタ又はコンピュータの基部または台に組み込まれ、モニタ又はコンピュータの裏の供給源共振器に結合し、モニタ又はコンピュータの前の空間への電力伝送を可能にする。モニタ又はコンピュータの基部または台に組み込まれた中間共振器は、追加の電源を必要とせず、供給源共振器からの電力を捕捉して、モニタ又はコンピュータの遮断または電力遮蔽する金属構成要素の周りの前面まで電力を伝送する。
ここに述べるシステム及び方法は、車両、オフィス、家、部屋、建物、屋外構築物、道路施設などのような、空間の構造部分に内蔵され、配置され、つり下げられ、埋め込まれ、組み込まれるなどされ得る。例えば、１つ又は複数の供給源は、壁、天井または天井パネル、床、仕切り、戸口、階段の吹き抜け、小部屋（コンパートメント）、路面、歩道、（高速道路への）出入道路、フェンス、屋外構築物などに内蔵され、配置され、つり下げられ、埋め込まれ、又は組み込まれ得る。１つ又は複数の供給源は、構造体の内部または周りの実在物、例えばベッド、机、椅子、ラグマット、鏡、時計、ディスプレイ、テレビ、電子デバイス、カウンタ（調理台）、テーブル、１個の家具、１個の芸術作品、囲い込むもの、小部屋、天井パネル、床またはドアパネル、ダッシュボード、トランク、ホイールウエル、支柱、ビーム、支持体、又は任意の同様な実在物に組み込まれ得る。例えば、供給源共振器は、ユーザの車のダッシュボードに組み込まれ、そのため、デバイス共振器を備えた又はデバイス共振器に接続された任意のデバイスが、ダッシュボードの供給源共振器から電力を供給され得る。このように、車に持ち込まれた又は組み込まれたデバイスは、車の中にある間に、常に充電または電力供給され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、車両、例えばボート、車、トラック、バス、列車、飛行機、人工衛星などの壁を通して電力を供給することができる。例えば、ユーザは、車両の外の電子デバイスに電力を供給するために、車両の壁に穴を開けることを望まないかもしれない。供給源共振器は車両の内側に配置されることができ、デバイス共振器は、車両の外側に配置され得る（例えば、窓、壁または構造体の両側に）。このように、ユーザは、車両に対する外部デバイスの配置、位置決め、及び取り付けを最適化する際により大きな柔軟性を達成することができる（例えば、デバイスに対する電気接続を与える又は配線することを気にせずに）。更に、ワイヤレスで供給される電力を使用することにより、外部デバイスは、防水であるように密封絶縁され、その外部デバイスが風雨（例えば、雨）にさらされる場合に、又は水面下に沈んでも、安全にされる。類似した技術は、様々な応用形態、例えば、ハブリッド車、ナビゲーション及び通信機器、建設機器、被遠隔制御またはロボット設備などに対する充電または電力供給（露出導体のせいで電気的危険性が存在する）に利用され得る。ここに述べるシステム及び方法は、半導体成長および処理、材料コーティングシステム、水槽、危険物処理システムなどで使用されるような、真空チャンバ又は他の密閉空間の壁を通して電力を供給することができる。電力は、並進ステージ、ロボットアーム、回転ステージ、操作および収集装置、クリーニング装置などに供給され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、台所環境に、例えば、ミキサ、コーヒーメーカー、トースター、オーブントースター、ホットプレート、グリドル、電気フライパン、電気ポット、電気動作装置、ワッフルメーカー、ブレンダー、フードプロセッサ、クロックポット、加温トレイ、誘導式レンジ台、ライト、コンピュータ、ディスプレイなどを含むカウンタ上面の電化製品に、無線電力を供給することができる。この技術は、デバイスの移動性および／または配置の柔軟性を改善し、カウンタ上面に蓄積およびカウンタ上面にわたって散乱した多数の電源コードを低減し、デバイスの洗浄可能性なども改善することができる。例えば、電気フライパン（electric skillet）は、従来、別個の部分を備え、例えば、洗うために水の中に入ることができる部分と、外部電気接続（例えば、コード、又は取り外し可能なコード用のソケット）を含むので水の中に入ることができない部分である。しかしながら、そのユニットにデバイス共振器が組み込まれる場合、全ての電気接続は密封絶縁されることができ、そのためデバイス全体は今や清浄にするために水の中に入れられ得る。更に、外部コードが無いことは、利用可能な壁の電気コンセントの必要性を無くし、もはやカウンタを横切って配置されるべき電気コードの必要性、又は電気グリドルの場所を利用可能な壁の電気コンセントの場所に制限する必要性がなくなる。
ここに述べるシステム及び方法は、デバイス共振器を備えたデバイスに対して連続的な電力供給／充電を行うことでき、その理由は、デバイスが、固定電気デバイス、パーソナルコンピュータ、インターコムシステム、セキュリティシステム、家庭用ロボット、照明、リモコンユニット、テレビ、コードレス電話などのように、供給源共振器の近傍を離れないからである。例えば、家庭用ロボット（例えば、ROOMBA）は、無線電力を介して電力供給／充電されることができ、ひいては再充電されずに任意の長時間、動作する。このように、家庭用ロボットに対する電源設計は、バッテリーを必要とせずに供給源共振器からの電力のみを使用するようにロボットを設計する、供給源共振器からの電力を用いてロボットのバッテリーを再充電するようにロボットを設計する、供給源共振器からの電力を使用してロボットのバッテリーをトリクル充電するようにロボットを設計する、供給源共振器の電力を用いて容量性エネルギー蓄積ユニットを充電するようにロボットを設計するなどのように、無線電力のこの連続的な供給源を利用するように変更され得る。電源および電源回路の類似した最適化は、ここに開示された任意のおよび全てのデバイスに対して、可能にされる、設計される、及び実現され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、電気加熱毛布、加温パッド／パッチなどに無線電力を供給することができる。これら電気加熱デバイスは、様々な屋内用途および屋外用途を見出すことができる。例えば、守衛、警察官、建設作業員などのような屋外労働者に支給される手足の加温器は、車両、建物、電柱、信号機、ポータブル電源ユニットなどの近くに関連付けられた又は組み込まれた供給源共振器から遠隔的に電力供給され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、デバイス共振器を含む携帯型情報デバイスに電力供給するために使用されることができ、係る携帯型情報デバイスは、供給源共振器を含む情報供給源の近くにいる場合に、電源を入れられ得る。例えば、情報デバイスは、ユーザのポケット、財布、ハンドバック、車両、バイクなどに保持されたカード（例えば、クレジットカード、スマートカード、電子カードなど）とすることができる。携帯型情報デバイスは、情報供給源の近傍にいる場合に電源を入れられることができ、次いで電子ロジック、電子プロセッサ、メモリ、ディスプレイ、ＬＣＤディスプレイ、ＬＥＤ、ＲＦＩＤタグなどを含むことができる携帯型情報デバイスに、情報が送信される。例えば、携帯型情報デバイスは、それが情報供給源の近くにいる場合に「オン」になるディスプレイを備えたクレジットカードとすることができ、「You just received a coupon for 50% off your next Coca Cola purchase」のような何らかの情報をユーザに提供することができる。情報デバイスは、その後の購入で使用され得るクーポン又は値引き情報のような情報を格納することができる。携帯型情報デバイスは、タスク、スケジュール表、やることリスト、アラーム及びリマインダーなどを含むように、ユーザによりプログラムされ得る。情報デバイスは、最新の価格情報を受け取り、以前に選択または特定された商品の場所および価格の情報をユーザに知らせることができる。
ここに述べるシステム及び方法は、構造体の内部に取り付けられ、構造体の外部に取り付けられ、地中に埋設され、壁に取り付けられるなどの環境センサ、セキュリティセンサ、農業センサ、機器センサ、食品損傷センサ、電力センサなどのようなセンサのバッテリーに直接的に電力供給または係るバッテリーを再充電するために無線電力伝送を行うことができる。例えば、この能力は、バッテリーを物理的に交換するために古いセンサを掘り出す必要性、又は古いセンサの充電が切れて、もはや動作しないので新しいセンサを埋める必要性に取って代わることができる。これらセンサは、ユニットを充電する携帯型センサ供給源共振器の使用を通じて、周期的に充電され得る。例えば、電源（例えば〜ｋＷの電力を供給する）を備えた、供給源共振器を携えるトラックは、〜ｍＷセンサに数分で十分な電力を提供し、センサの動作の持続時間を１年以上にわたって延ばすことができる。また、センサは直接的に電力供給されることもでき、例えば、ワイヤで接続することが困難であるが、供給源共振器の近傍内に依然としてある所定位置のセンサ（例えば、家の外のデバイス（セキュリティカメラ）、壁の向こう側にあるデバイス、ドアの電気ロック上のデバイスなど）に電力供給する。別の例において、そうでなければ有線電力接続で供給される必要があるセンサが、ここに述べるシステム及び方法を通じて電力供給され得る。例えば、漏電ブレーカは、配電盤への設置のために、残留電流および過電流保護を１つのデバイスに組み合わせる。しかしながら、センサは従来、電源のために別個に配線される必要があり、これは設置を複雑にする可能性がある。しかしながら、ここに述べるシステム及び方法を用いることにより、センサは、デバイス共振器で電力供給されることができ、この場合、単一の供給源共振器は配電盤内に設けられ、かくして配電盤内の設置と配線条件が簡略化される。更に、単一の供給源共振器は、配電盤内に取り付けられた供給源共振器の両側に取り付けられたデバイス共振器に、配電盤の全体にわたって取り付けられたデバイス共振器に、近くの追加の配電盤に取り付けられたデバイス共振器などに電力供給することができる。ここに述べるシステム及び方法は、電気配電盤、分電盤、回路遮断器、変圧器、予備バッテリー、火災警報制御パネルなどにおいてのように、電気パネル、電気室、配電などに関連した任意の電気構成要素に無線電力を供給するために利用され得る。ここに述べるシステム及び方法の使用を通じて、配電および保護構成要素およびシステム設備を設置、維持、及び変更することが、より容易になる。
別の例において、バッテリーで動くセンサは、無線電力が周期的に又は連続的にバッテリーを再充電またはトリクル充電するために供給され得るので、バッテリーを充電する必要なしに連続的に動作することができる。係る用途において、電力レベルが低くても、バッテリーの電荷を適切に再充電または維持することができ、バッテリーの寿命および有用性が著しく延ばされる。場合によっては、バッテリー寿命は、それが電力供給されているデバイスの寿命よりも長くするように延ばされることができ、本質的に「永遠に続く」バッテリーにする。
ここに述べるシステム及び方法は、人工心臓、ペースメーカー、心臓ポンプ、インスリンポンプ、神経または指圧療法／針治療のつぼ刺激などのための埋め込まれたコイルなどのような埋込み型医療装置のバッテリーを充電するために使用され得る。例えば、ワイヤが考えられる一定の感染源であり、一般に患者にとって非常に不愉快になるので、患者にワイヤを突き刺しておくことは好都合ではなく、又は安全ではない。また、ここに述べるシステム及び方法は、供給源共振器を有するベッド又は病院の壁または天井のような、外部供給源から患者の医療装置に対して充電または電力供給するためにも使用され得る。係る医療装置は、患者に対する取り付け、読み出し、使用、及びモニタをより容易にすることができる。ここに述べるシステム及び方法は、患者および患者のベッド又はベッドのそばにワイヤを取り付ける必要性を容易化し、患者が、不注意による医療装置の切断という危険を冒さずに、ベッドの周りに移動またはベッドから出ることをより便利にすることができる。例えば、これは、脈、血圧、ブドウ糖などの測定のような、患者をモニタする複数のセンサを有する患者と共に有用に利用され得る。バッテリーを利用する医療装置およびモニタ装置の場合、バッテリーは極めて頻繁に、恐らく週に数回、交換される必要があるかもしれない。これは、バッテリーを交換することを忘れている人々に関連して、バッテリーが消耗したことにより装置またはモニタが動作していないことに気付かないこと、並びにバッテリーカバー及びバッテリー室などの不適切なクリーニングに関連した感染症などの危険を与える可能性がある。
ここに述べるシステム及び方法は、医療装置の埋め込み方法の危険性および複雑性を低減することができる。今日、心室補助装置、ペースメーカー、除細動器などのような多くの埋込み型医療装置は、当該装置に組み込まれる長寿命バッテリーの体積および形状によりかなり影響を受ける、それら装置のフォームファクタに起因して、外科的な埋め込みを必要とする。一態様において、本明細書においてバッテリーを再充電する非侵襲性の方法が説明され、そのためバッテリーサイズは劇的に低減され、装置全体は、例えばカテーテルを介して、埋め込まれ得る。カテーテル埋込み型装置は、一体化された捕捉またはデバイスコイルを含むことができる。カテーテル埋込み型捕捉またはデバイスコイルは、例えば埋め込み後に、それが内部で配線され得るように設計され得る。捕捉またはデバイスコイルは、クルクルと巻いたフレキシブルなコイル（例えば、２つの巻物のように巻かれ、単一のスプレッダ機構で内部で容易に広げられる）として、カテーテルを介して配置され得る。電源コイルは、電源が適切な位置に配置されるように適合するように仕立てられたベスト又は衣類に着けられ得るか、椅子のクッション又はベッドのクッションに配置され得るか、ベッド又は１個の家具に組み込まれるなどされ得る。
ここに述べるシステム及び方法により、供給源共振器の近傍にある場合に電力供給または充電され得るデバイス共振器、及び複数の医療センサの少なくとも１つを含むことができる「センサベスト」、センサパッチなどを、患者が備えることを可能にする。従来、このタイプの医療モニタ設備は、バッテリーを必要とし、それによりベスト、パッチなどを重くし、潜在的に実用的でなくしていた。しかし、ここに開示された原理を用いることにより、バッテリー（又はより軽い再充電可能バッテリー）は必要なく、かくして係る装置は、特にバッテリーが無いので、又はバッテリーが大幅に軽いので、ストラップを用いずに、例えば接着剤により、係る医療装置が所定位置に保持され得る場合には、より便利および実用的にされる。医療設備は、発作、または心臓発作などを予想（例えば、それより数分前に）するために、遠隔的にセンサデータを読み取ることができる。当該ベストが、医療設備から遠く離れた場所にいる、例えば家にいる人により使用される場合、ベストは、携帯電話または通信装置と一体化されて、事故または医療事象の場合に救急車を呼ぶことができる。ここに述べるシステム及び方法は、当該ベストが高齢者により使用されるべきである場合の例において特に価値が高く、この場合、従来のワイヤレスでない再充電の手法（例えば、バッテリーの交換、及び夜にプラグ接続など）は要求事項として不随されない。また、ここに述べるシステム及び方法は、バッテリーの交換または再充電が困難である身体障害者により使用される又は係る身体障害者を支援する充電装置、又は身体障害者が享受する又は頼りにする装置に電力を確実に供給することが困難である充電装置に使用され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、義肢の充電および電力供給に使用され得る。義肢は、腕、脚、手、及び足のような元の肢の機能を置き換えるという点で、非常に有能になる。しかしながら、電動義肢は、結果として多大なバッテリーになる、かなりの電力（例えば１０〜２０Ｗ）を必要とする。その場合、切断手術を受けた人は、あまり長く存続しない軽いバッテリーとかなり長く存続する重いバッテリーのどちらかを選択して帰路に付くことができるが、「持ち歩く」ことはより困難である。ここに述べるシステム及び方法により、義肢は、デバイス共振器で電力供給されることが可能になり、この場合、供給源共振器は、ユーザにより携えられ重量をより容易に支えることができる体の一部に取り付けられるか（例えば、腰の周りのベルトに）、又はデバイスが充電または電力供給される状態を保つように適切な時間をユーザが過ごす外部場所（例えば、ユーザの机に、ユーザの車内に、及びユーザのベッドの中など）に配置される。
ここに述べるシステム及び方法は、工業的および軍事的応用形態で、及び高齢者／弱者／病人に使用されるような、電動エグゾスケルトン（exo-skeleton）の充電および電力供給に使用され得る。電動エグゾスケルトンは、人に１０〜２０倍までの「強さ」の増加を提供し、それにより人が、大きな疲れを伴わずに身体的に非常に骨が折れる作業を繰り返し行うことが可能になる。しかしながら、エグゾスケルトンは、特定の使用状況の下で１００Ｗを超える電力を必要とし、そのためバッテリー駆動動作は、３０分以下に制限され得る。ここに述べる無線電力の供給により、エグゾスケルトンのユーザに、エグゾスケルトンの構造運動に電力供給する、及び構造体の全体にわたって分散された様々なモニタ及びセンサに電力供給するための電力の連続的な供給を行うことができる。例えば、埋め込まれたデバイス共振器（単数または複数）を有するエグゾスケルトンは、局所的な供給源共振器から電力を供給され得る。工業用エグゾスケルトンの場合、供給源共振器は、施設の壁に配置され得る。軍事用エグゾスケルトンの場合、供給源共振器は、装甲車両により備えられ得る。高齢者のヘルパーを助けるために利用されるエグゾスケルトンの場合、供給源共振器（単数または複数）は、人の家の部屋（単数または複数）に設置または配置され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、酸素システム、人工呼吸器、投薬ポンプ、モニタ、及び救急車の機器または携帯型医療ユニットなどのような、携帯型医療機器の電力供給／充電に使用され得る。患者を事故現場から病院に輸送できること、又はベッドの患者を他の部屋または領域に移動し、且つ患者に取り付けられて常に電力供給されている全機器を持っていくことができることは、患者の健康に大きな利益をもたらし、結果として幸せをもたらす。確かに、医療機器のバッテリーが消耗することにより、又は患者が多少なりとも輸送または移動される間に医療機器のプラグが抜かれる必要があることにより、動作を停止する医療機器によって生じる危険性および問題は理解され得る。例えば、自動車事故の現場の緊急医療チームは、現場での患者の救急治療で携帯型医療機器を利用する必要がある。係る携帯型医療機器は、緊急事態の持続期間に機器に電力供給するために十分なバッテリー寿命が存在するように適切に維持されなければならない。しかしながら、バッテリーが完全に充電されていない、場合によっては必要な機器が初動要員に利用可能でないように、機器が適切に維持されていない場合があまりにも頻繁にある。ここに述べるシステム及び方法は、バッテリー及び電源パックの充電および維持が人間の介在なしで自動的に行われるように、携帯型医療機器（及び患者の関連したセンサ入力）に無線電力を供給することができる。また、係るシステムは、治療で使用される多くの医療モニタ及び装置に取り付けられた様々な電源コードによる邪魔を取り除いた、患者の改善された動きやすさから恩恵を受ける。
ここに述べるシステム及び方法は、個人の補聴器の電力供給／充電に使用され得る。個人の補聴器は、人の耳に嵌る又は当該耳の周りに装着するように小さくて軽い必要がある。サイズ及び重量の制約は、使用され得るバッテリーのサイズを制限する。同様に、デバイスのサイズ及び重量の制約は、構成要素の精巧さに起因してバッテリー交換を困難にする。デバイスの寸法および衛生状態の懸念事項は、バッテリーの再充電を可能にする追加の充電ポートを組み込むことを困難にする。ここに述べるシステム及び方法は、補聴器に組み込まれることができ、必要なバッテリーのサイズを低減して更に小さい補聴器を可能にすることができる。ここに開示された原理を使用することにより、補聴器のバッテリーは、外部接続または充電ポートを必要とせずに再充電され得る。充電およびデバイス回路および小さい再充電可能バッテリーは、既存の補聴器に組み込むことを可能にする従来の補聴器のバッテリーのフォームファクタに組み込まれ得る。補聴器は、人により使用および着用されている間に再充電され得る。エネルギー供給源は、パッド又はカップに組み込まれることができ、それにより補聴器が係る構造体に配置された場合に再充電されることが可能になる。充電供給源は、補聴器が乾燥または殺菌されている間にワイヤレス再充電を可能にする補聴器乾燥箱に組み込まれ得る。また、供給源共振器およびデバイス共振器はデバイスを加熱するためにも使用されることができ、追加の加熱素子の必要性を低減または取り除く。バッテリー又はＡＣアダプターにより電力供給される携帯型充電ケースは、保管および充電ステーションとして使用され得る。
上述した医療システム用の供給源共振器は、患者のセンサ及びデバイスのデバイス共振器と共に、医療機器の一部または全ての本体内にあることができ、又は供給源共振器は、患者のセンサ及び機器の一部または全ての本体のデバイス共振器と共に、救急車内にあることができ、又は医療機器が救急車内にある間に、第一の供給源共振器が医療機器のデバイス共振器に無線電力を伝送するために救急車内にあり、医療機器が救急車から離れる場合に、患者のセンサの第２のデバイス共振器に無線電力を伝送するために第二の供給源共振器が医療機器の本体内にあるなどである。ここに述べるシステム及び方法は、医療関係者が患者を或る場所から別の場所に輸送することができる容易さを大幅に改善することができ、この場合、電源ワイヤ、及び関連したバッテリーを交換または手動で充電する必要性が直ちに低減され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、戦車、装甲輸送車、可動式シェルターなどのような軍用車両または軍事施設内のデバイスの充電のために使用され得る。例えば、兵士が「戦闘」または作戦の後で車両に戻る場合、彼らは一般に電子デバイスを充電し始める。彼らの電子デバイスがデバイス共振器を備えており、供給源共振器が車両の内部にある場合（例えば、車両の座席または天井に組み込まれた）、彼らのデバイスは即座に充電を始める。実際には、同じ車両が、車両の外に立っている又は車両のそばを歩いている兵士／ロボット（iRobotからのPackBot）に電力を供給することができる。この能力は、他の誰かとの偶発的なバッテリー交換を最小限にすることに（これは、兵士が自分のバッテリーだけを信用する傾向があるので、重要な問題である）、又は攻撃を受ける車両からのより迅速な退去を可能にすることに、又は「困難な状況」および／または減少した可視性の場合に、速くあちこち移動するための能力が低減されるという点で、戦車内の非常に多くのワイヤは危険を及ぼす可能性があるので、戦車の内部でラップトップコンピュータ又は他の電子デバイスに対して電力供給または充電することなどに有用である。ここに述べるシステム及び方法は、軍事環境において携帯型電力機器に電力供給することに関連して著しい改善を提供することができる。
ここに述べるシステム及び方法は、ゴルフカート又は他のタイプのカート、オフロード車両、電気バイク、スクータ、車、芝刈り機、Bobcat及び建設および造園に一般に使用される他の車両などのような移動車両に、無線電力供給または充電の能力を提供することができる。ここに述べるシステム及び方法は、小型のヘリコプター、空中の無人飛行機、遠隔制御飛行機、遠隔制御ボート、遠隔制御またはロボット探査車、遠隔制御またはロボット芝刈り機または機器、爆弾検出ロボットなどのような小型移動車両に、無線電力供給または充電の能力を提供することができる。例えば、視界を増加させるために軍用車両の上を飛行する小型のヘリコプターは、標準のバッテリーで数分間、飛行することができる。これら小型のヘリコプターがデバイス共振器を取り付けられ、制御車両が供給源共振器を有する場合、小型のヘリコプターは、いつまでも飛行することができる。ここに述べるシステム及び方法は、小型の移動車両で使用するためのバッテリーを再充電または交換するための有効な代替案を提供することができる。更に、ここに述べるシステム及び方法は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノロボット、ナノデバイスなどのような更に小さいデバイスに電力供給／充電を行うことができる。更に、ここに述べるシステム及び方法は、デバイス共振器を備えた移動車両の近傍に自発的に自身を配置することができる、出張または飛行中再充電器としての機能を果たすことを可能にするために移動車両または飛行するデバイスに供給源共振器を設置することにより、実現され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、電力発生装置のような電源が必要とされ、電源ケーブルが一般に仮設設備のあちこちに引かれる、軍事キャンプ、石油採掘設備、人里離れた映画撮影の場所などのような仮設設備に電力網を提供するために使用され得る。電力を必要とする仮設設備を設ける必要がある場合の多くの例が存在する。ここに述べるシステム及び方法は、これら設備を迅速に設けて解体するためのより効率的な方法を可能にすることができ、施設の全体にわたって電源まで引かれる必要があるワイヤの数を低減することができる。例えば、特殊部隊が或る領域に移る場合、彼らはテントを建てて、必要な電力を提供するためにキャンプのあちこちに多くのワイヤを引く。代わりに、ここに述べるシステム及び方法により、電源および供給源共振器を取り付けた軍用車両がキャンプの中央に駐車して、近くのテントに全ての電力を供給することが可能になり、この場合、デバイス共振器はテントに、又は各テント又は領域に関連した何らかの他の機器の一部に組み込まれ得る。一連の供給源共振器−デバイス共振器−供給源共振器−デバイス共振器を用いて、更に遠くに離れたテントに電力を延ばすことができる。即ち、車両に最も近いテントが、それらの背後のテントに電力を供給することができる。ここに述べるシステム及び方法は、仮設物が設けられて解体され得る効率性に著しい改善を提供することができ、かくして関連した設備の動きやすさが改善される。
ここに述べるシステム及び方法は、車両に使用することができ、例えば、ワイヤの交換のために、新しい機器の設置に、車両に持ち込まれるデバイスの電力供給に、車両（例えば、従来のガソリンエンジン、ハイブリッド車、電気自動車など）のバッテリーの充電に、車両の室内または室外に取り付けられたデバイスの電力供給に、車両の近傍にあるデバイスの電力供給などに使用できる。例えば、ここに述べるシステム及び方法は、車両の全体にわたって分散されたライト、送風機、及びセンサに電力供給するために使用されるようなワイヤを置き換えるために使用され得る。一例として、一般的な車は、それに関連した５０Ｋｇのワイヤを有する場合があり、ここに述べるシステム及び方法を使用することにより、この配線のかなりの量を取り除くことを可能にすることができる。飛行機または人工衛星のような、より大きくてより重量に敏感な車両の性能は、車両の全体にわたって引かれる必要があるケーブルの数を低減することから著しく恩恵を受けることができる。ここに述べるシステム及び方法は、電気ハーネスを必要とせずに、車両の取り外し可能な又は追加の部分を電気および電子デバイスと適合させることを可能にすることができる。例えば、オートバイは、長旅を続ける場合に一時的なトランク空間としての役割を果たす取り外し可能なサイドボックスを有することができる。これらサイドボックスは、外部ライト、内部ライト、センサ、自動車用品などを有することができ、ここに述べるシステム及び方法を備えていない場合には、電気接続およびハーネスを必要とする。
車載の無線電力送信システムは、車で使用される１つ又は複数のモバイル機器、即ち携帯電話機、ブルートゥースヘッドセット、ブルートゥースのハンズフリースピーカーフォン、ＧＰＳ、ＭＰ３プレイヤ、ＦＭおよびブルートゥースを介したカーステレオを通してＭＰ３オーディオをストリーミングするための無線オーディオトランシーバなどに対して充電または電力供給を行うことができる。車載の無線電力供給源は、ダッシュボード上のパッドを充電、もしそうでなければ床、又はシートとセンターコンソールの間に装着されたパッドを充電、及びカップホルダー内に又はダッシュボード上に適合する「カップ」又はレセプタクルを充電することを含む、任意の幾つかの可能な構成で構成され得る供給源共振器を利用することができる。
無線電力送信供給源は、再充電可能なバッテリーシステムを利用することができ、そのため当該供給バッテリーは、車両の電源がオンであるときはいつでも充電され、そのため車両がオフにされた場合に、無線電源が供給バッテリーから電力を引き出すことができ、車内に依然としてあるモバイル機器に対してワイヤレスで充電または電力供給することを続けることができる。
未来のプラグイン電気自動車、及びハイブリッド車などは、充電される必要があり、ユーザは、ユーザが家または充電ステーションに着く場合に、電源にプラグ接続する必要がある。単一の夜間の再充電に基づいて、ユーザは、翌日、８０．４５Ｋｍ（５０マイル）まで運転することができる。従って、ハイブリッド車の例において、人が大半の日において８０．４５Ｋｍ（５０マイル）未満を運転する場合、それは主として電気で駆動されている。しかしながら、人が夜に車のプラグ接続を行うことを記憶に留める必要がない場合には、有益になるであろう。即ち、車を単にガレージに入れるだけで良く、車自体の充電の面倒を車に見させる。この目的を達成するために、供給源共振器は、ガレージの床および／またはガレージの側壁に組み込まれ、デバイス共振器は車の底面（又は側面）に組み込まれ得る。数ｋＷの伝送でも夜間の車の再充電には十分とすることができる。車載のデバイス共振器は、固定された共振供給源に対する車両（又は任意の類似したデバイス）の位置合わせを支援するように、フィードバックを提供するために磁界特性を測定することができる。車両は、この位置のフィードバックを用いて、自動的にそれ自体を位置決めし、最適な位置合わせを達成し、かくして最適な電力送信効率を達成することができる。別の方法は、車両が良好に位置決めされた場合に、例えばＬＥＤを点灯させる、ノイズを提供するなどにより、車両またはデバイスを適切に位置決めするように人間の操作者を支援するために当該位置のフィードバックを使用することとすることができる。そのような場合に、送信されている電力量が活性領域の体積に侵入する人または動物に対して安全上の問題をもたらす可能性がある場合、供給源または受信器デバイスは、活性光のカーテン、又は当該活性領域の体積への侵入を検知することができ、且つ供給源デバイスを止めることができる何からの他の外部デバイスを備えて、人間の操作者に警告することができる。更に、供給源デバイスは、自己検知能力を備えることができ、そのためそれは、その予想される電力送信率が侵入要素により妨害されているかを検知し、その場合は供給源デバイスを止めて人間の操作者に警告することができる。開き戸または空気注入式ブラダー保護物のような物理的または機械的構造体が、望まれていない侵入を防止するために物理的なバリアとして組み込まれ得る。また、光学的、磁気的、容量性、誘導的などのようなセンサは、無関係な構造体、又は供給源共振器とデバイス共振器との間の干渉を検出するために使用され得る。供給源共振器の形状は、水またはゴミの蓄積を防ぐように形作られ得る。供給源共振器は、円錐形の筐体内に配置され得るか、或いは水およびゴミが転がって落ちることを可能にするように傾斜した上面を備える筐体を有することができる。システムの供給源は、車両のバッテリー電力またはそれ自体のバッテリー電力を使用して、その存在を供給源に伝え、電力送信を開始することができる。
供給源共振器は、電気自動車のバンパー、ボンネット、車体パネルなどに取り付けられたデバイス共振器に結合するために、壁、台などに埋め込まれた又はぶら下がったポストに取り付けられ得る。供給源共振器は、クッション、パッド、ベロー、バネで留められた筐体などのようなフレキシブルな筐体に収容される又は埋め込まれることができ、そのため電気自動車は、決して車を損傷せずに、供給源コイルを包含する構造体と接触することができる。供給源を包含する構造体は、供給源共振器とデバイス共振器との間に物体が入ることを防止することができる。無線電力伝送は、供給源コイルとデバイスコイルとの間の位置合わせ不良に比較的影響を受けないので、様々なフレキシブルな供給源構造体および駐車手順は、この応用形態に適切とすることができる。
ここに述べるシステム及び方法は、電気自動車、ハイブリッド車、燃焼機関自動車のバッテリーをトリクル充電するために使用され得る。車両は、バッテリーの電力を維持または補充するために小量の電力を必要とする。電力は、車両のフロントグリル、屋根、底面、又は他の部品に組み込まれ得るデバイス共振器に、供給源からワイヤレスで伝送され得る。デバイス共振器は、ラジエータを流れる空気を妨害しないように、車両の前面、又はグリルの周りのロゴの形状に適合するように設計され得る。デバイス共振器または供給源共振器は、車両から雪または氷を溶かすために使用され得る加熱素子として共振器が使用されることを可能にする追加の動作モードを有することができる。
電気自動車またはハイブリッド車は、当該車両が充電のために供給源共振器の近傍に到達できる容易性を増加するように（即ち、より大きな数およびより大きく多様な位置のデバイス共振器は、車両が多種多様の充電ステーションに停車して、当該充電ステーションに接続して機能する可能性がより大きい）、或る時間期間に伝えられ得る電力量を増加するように（例えば、充電電流による局所的な加熱を許容レベルに保つために付加的なデバイス共振器が必要とされる）、及び充電ステーションに自動的に車両を駐車させ／ドッキングさせる上で助けとなるように、多数のデバイス共振器を必要とする場合がある。例えば、車両は、最適な充電状態（即ち、充電ステーションの供給源共振器に車両のデバイス共振器を最適に配置して、より大きな電力伝送効率を与える）で車両を駐車するように、運転者又は自動駐車／ドッキング設備を誘導するフィードバックシステムを伴う多数の共振器（又は単一の共振器）を有することができる。自動駐車／ドッキング設備は、車両が如何に良く結合されるかに基づいて、車両の自動駐車を可能にすることができる。
電力送信システムは、車両のデバイス及び周辺機器に電力供給するために使用される。周辺機器に対する電力供給は、車両が充電されている間に、又は充電されていない間に行うことができ、或いは電力は、充電をしなくてもよい従来の車両に伝えられる。例えば、電力は、ガレージの駐車場またはローディングドックで排ガスが蓄積するのを避けるために重要である、エンジンの動作を回避するように駐車されている間に、空調、冷凍ユニット、ヒータ、ライトなどに電力供給するために、従来の非電気自動車にワイヤレスで伝送され得る。電力は、例えば、駐車されている間にバスにワイヤレスで伝送され、搭載されたエンジン又は電源の使用を避けて、ライト、周辺機器、乗客のデバイスなどに電力供給することを可能にすることができる。電力は、駐機場またはハンガーに駐機されている間に航空機にワイヤレスで伝送され、搭載されたエンジン又は電源を使用する必要なしに、計器装備、温度調節器、防氷装置などに電力供給することができる。
車両での無線電力送信は、ビークルトゥグリッド（Ｖ２Ｇ）の概念を可能にするために使用され得る。ビークルトゥグリッドは、分散されたエネルギー蓄積デバイスとして電気自動車およびプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）を利用することに基づいており、当該電気自動車およびプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）は、配電網が活用されていない夜に充電され、昼間に生じるピーク需要の出現の間に配電網へ戻すように放電するために利用可能である。車両および個々のインフラでの無線電力伝送システムは、プラグイン接続を必要とせずに、双方向のエネルギーを流せるように（その結果、エネルギーは車両から配電網へ逆流することができる）、実現され得る。工場、オフィス、駐車場に駐車された膨大な全車両は、スマートグリッドによって「ピーク電力能力」とみなされ得る。車両での無線電力送信は、係るＶ２Ｇビジョンを現実のものにすることができる。配電網に車両を接続するプロセスを簡略化することにより（即ち、無線充電可能な駐車場に単に車両を止めることにより）、配電網が電力を利用する必要がある場合に特定数の車両が「派遣され得る」という可能性がより高くなる。無線充電を用いない場合、電気自動車および（ＰＨＥＶ）の所有者は、恐らく家で車両を充電し、職場で従来の駐車場に車両を止める。充電をする必要がない場合に、だれが職場で車両をプラグ接続することを望むであろうか？３ｋＷを取り扱うことができる無線充電システムの場合、１００，０００台の車両が３００メガワットを配電網に戻すことができる（コスト効率の良いベースロード発電能力により、以前に夜に生成されたエネルギーを用いて）。それは、実行可能なＶ２Ｇエネルギー源にする、ＰＨＥＶ車両および電気自動車のコードレス自己充電の合理化された人間工学である。
ここに述べるシステム及び方法は、空気圧を測定するためのタイヤ内のセンサのような車両のセンサに電力供給するために、又は携帯電話、ＧＰＳ装置、ナビゲーション装置、ゲーム機、オーディオ又はビデオプレイヤ、ＤＶＤプレイヤ、無線方式ルータ、通信機器、盗難防止装置、レーダー装置などのような、車両内の周辺機器を動作させるために使用され得る。例えば、ここに述べる供給源共振器は、車のメインコンパートメントに組み込まれて、車のメインコンパートメントの内側と外側に位置する様々なデバイスに電力を供給することができる。車両がオートバイなどである場合、ここに述べるデバイスは、オートバイの本体、例えばシートの下に組み込まれることができ、デバイス共振器は、例えば通信、娯楽、信号を発するなどのために、ユーザのヘルメットに設けられ得るか、又はデバイス共振器は、例えば安全のために他の運転者に信号を表示するなどのために、ユーザのジャケットに設けられ得る。
ここに述べるシステム及び方法は、道路、列車、航空機、船舶輸送などのような交通インフラと連係して使用され得る。例えば、供給源共振器は、道路、駐車場、鉄道線路などに組み込まれ得る。供給源共振器は、信号機、標識などに組み込まれ得る。例えば、供給源共振器が道路に埋め込まれ、デバイス共振器が車両に組み込まれる場合、車両は、道路に沿って走行する際に、又は道路の区画または道路脇に駐車される際に電力を供給され得る。ここに述べるシステム及び方法は、車両が道路網または道路網の一部を通過する間に電力供給および／または充電されるべき、車両の電気システムに効果的な方法を提供することができる。このように、ここに述べるシステム及び方法は、自律走行車、無人搬送車などの電力供給／充電に寄与することができる。ここに述べるシステム及び方法は、車両が一般にアイドリング又は停止する所々で、例えば、信号機または標識の近傍で、高速道路の出入道路で、又は駐車場などで、車両に電力を供給することができる。
ここに述べるシステム及び方法は、産業環境で、例えば機械装置に電力供給するために、ロボットの電力供給／充電のために、ロボットアームの無線センサの電力供給および／または充電のために、工具の電力供給／充電などのために工場の内部で、使用され得る。例えば、ロボットのアームのデバイスに電力を供給するためにここに述べるシステム及び方法を用いることは、ロボットアームのジョイントを横切る直接的なワイヤ接続を取り除くことに役立つことができる。このように、係る直接的なワイヤ接続からの摩耗が低減され、ロボットの信頼性が向上することができる。この場合、デバイス共振器はロボットのアーム上の外にあり、供給源共振器は、ロボットの基部にあることができ、ロボットの近くの中心位置にあることができ、ロボットがサービスを提供している産業施設に組み込まれ得るなどである。ここに述べるシステム及び方法の使用は、産業施設内での配電に関連した配線を取り除くことに役立ち、ひいては、当該施設の総合的な信頼性に利することができる。
ここに述べるシステム及び方法は、掘削、採鉱、採掘などのような地下の応用形態に使用され得る。例えばボーリング又は掘削に関連した電気構成要素およびセンサは、ここに述べるシステム及び方法を利用して、掘削機構、掘削ビットなどに関連したケーブル敷設をなくし、かくして掘削点の近くのケーブル敷設がなくなる又は最小限にされる。別の例において、ここに述べるシステム及び方法は、採鉱の応用形態において掘削機器に電力を供給するために使用されることができ、この場合、当該機器の電力要件は高く且つ距離は大きいが、関連した必要な場にさらされる人は存在しない。例えば、掘削領域は、高い電力要件を有する掘削機器に電力供給するデバイス共振器を有することができ、供給源共振器から比較的遠くで掘削することができる。結果として、供給源共振器は、これら要件を満たすために高い磁界強度を提供する必要があるが、職員はこれら高い強度の場の外側にいるように十分に遠く離れている。職員のいないこの高電力の状況は、複数の工業的応用形態に適用可能である。
また、ここに述べるシステム及び方法は、電力伝送の代わりに、又は電力伝送に加えて、情報伝送のために近接場の非放射共振方法を使用することができる。例えば、近接場の非放射共振技術により伝送されている情報は盗聴されにくく、そのため従来の無線通信方法に比べてセキュリティのレベルを上げることができる。更に、近接場の非放射共振技術により伝送されている情報は、ＥＭ放射スペクトルと干渉せず、そのためＥＭ干渉源になることができないことにより、拡大された周波数範囲内で且つ任意の規制機関により設定された制限の十分な範囲内で通信が可能になる。通信サービスは、例えば遠く離れたセンサ間、トンネル、洞窟および井戸（例えば、油井、他の掘削地点）におけるデバイス又は車両のセクション間、及び水中または地下のデバイス間などのような、遠く離れてアクセスできない又は到達しづらい場所間で提供され得る。通信サービスは、磁界が電界より少ない損失を蒙る所々で提供され得る。
ここに述べるシステム及び方法は、無線電力送信システムにおいて、供給源とデバイスとの間で電力および通信信号の同時送信を可能にすることができる、或いは異なる時間期間の間に又は異なる周波数で電力および通信信号の送信を可能にすることができる。共振器の性能特性は、エネルギー又は情報伝送の効率性または範囲を優先的にサポート又は制限するように制御可能に変更され得る。例えば、共振器の性能特性は、情報伝送の範囲を低減することにより、セキュリティを改善するために制御され得る。共振器の性能特性は、連続的に、周期的に、或いは所定のアルゴリズム、計算されたアルゴリズム又は自動調整されるアルゴリズムに従って変更され得る。例えば、ここに述べるシステム及び方法により可能にされる電力および情報の伝送は、時分割または周波数分割の方法で行われ得る。供給源およびデバイスは、チューニング、変化、変更、ディザリングなどにより互いに信号を送ることができ、共振器のインピーダンスは、検出され得る他の共振器の反射インピーダンスに影響を及ぼすことができる。ここに述べるように伝送される情報は、デバイスの識別、デバイス電力要件、ハンドシェーキングプロトコルなどに関連した情報を含むことができる。
供給源およびデバイスは、電力網において任意の他の供給源および／またはデバイスに関する位置および場所の情報を検知、送信、処理および利用することができる。供給源およびデバイスは、供給源およびデバイスに組み込まれ得る、又は供給源およびデバイスが接続する構成要素の一部とすることができる様々なセンサおよび情報源からの、高度、傾き、緯度および経度などのような情報を捕捉または使用することができる。位置決め及び方向付けの情報は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、コンパス、加速度計、圧力センサ、大気圧センサ、Wi-Fi又は携帯電話のネットワーク信号を使用する位置決めシステムなどのような情報源を含むことができる。供給源およびデバイスは、当該位置および場所の情報を使用して、近くの無線電力送信供給源を見つけることができる。供給源は一斉送信するか、或いは中央ステーション又はその場所を特定するデータベースと通信することができる。デバイスは、中央ステーション又はデータベースから、或いは局所的な放送から供給源の場所の情報を得ることができ、視覚的信号、振動的信号、又は聴覚的信号を利用して、ユーザ又は操作者を供給源に案内することができる。供給源およびデバイスは、電力網の、通信ネットワークの、センサネットワークの、ナビゲーションネットワークなどのノード、又は組み合わされた機能性ネットワークの類のノードとすることができる。
また、当該位置および場所の情報は、電力供給を最適化または調整するために使用され得る。供給源およびデバイスの相対位置に関する追加情報は、磁場方向および共振器の位置合わせを最適化するために使用され得る。例えば、加速度計および磁気センサなどから得られることができるデバイス及び供給源の方向は、磁束がデバイスの回路により阻止されないように、磁界の最も好適な方向と共振器の方向を特定するために使用され得る。係る情報を用いて、最も好適な方向を有する供給源、又は供給源の組合せが使用され得る。同様に、位置および方向の情報は、電力送信効率を最大化するために、損失を最小限にするなどのために好適な方向または場所にデバイスを配置するように、デバイスのユーザ又は操作者を動かす、又はデバイスのユーザ又は操作者にフィードバックを提供するために使用され得る。
供給源およびデバイスは、電力計量および測定の回路および能力を含むことができる。電力計量は、どれぐらいの量の電力がデバイスに伝えられたか、又はどれぐらいの量の電力が供給源により伝送されたかを追跡するために使用され得る。電力計量および電力使用量の情報は、課金の目的のために、有料電力供給設備で使用され得る。また、電力計量は、電力が特定の基準に従って多数のデバイスに配電されることを確実にするように電力供給方針を可能にするために使用され得る。例えば、電力計量は、デバイスが受け取った電力量、及び電力供給において最も少ない電力を受け取ったデバイスに与えられ得る優先順位に基づいて、デバイスを分類するために使用され得る。電力計量は、別個の料率で課金され得る、「保証された電力」および「ベストエフォート型電力」のような段階的供給サービスを提供するために使用され得る。電力計量は、階層的電力供給構造を実施および実行するために使用されることができ、優先デバイスが、特定の状況または使用状況下で、より多くの電力を要求しおよび受け取ることができる。
電力計量は、電力供給の効率を最適化する、並びに吸収および放射損失を最小限にするために使用され得る。デバイスにより受け取られた電力に関連している情報は、望ましくない動作環境または周波数を識別するために、供給源の電力出力に関する情報と共に供給源により使用され得る。例えば、供給源は、デバイスにより受け取られた電力量と供給源が送信した電力量を比較し、送信損失が異常に又は許容できないくらい大きいかを判定する。大きな送信損失は、供給源からの電力を受け取る許可されていないデバイスに起因する可能性があり、供給源および他のデバイスは、許可されていない使用を防止または阻止するために、共振周波数の周波数ホッピング又は他の防御的測定を開始することができる。大きな送信損失は、例えば吸収損失に起因する可能性があり、デバイス及び供給源は、係る損失を最小限にするために共振周波数を変更するように調整することができる。また、大きな送信損失は、望まれていない又は未知の物体または材料の存在を示し、供給源は、その望まれていない又は未知の物体が除去される又は特定されるまで、その電力レベルを下げる又は止めることができ、係る物体が除去される又は特定されたときに、供給源は遠隔デバイスの電力供給を再開することができる。
供給源およびデバイスは、認証能力を含むことができる。認証は、相性が良い供給源とデバイスのみが電力を送受信することができることを確実にするために使用され得る。認証は、特定のメーカー製であり且つ他のメーカーからの複製品またはデバイス及び供給源でない真のデバイスのみ、或いは特定の予約申し込み又はプランの不可欠な要素であるデバイスのみが、供給源からの電力を受け取ることができることを確実にするために使用され得る。認証は、要求と応答の暗号プロトコルに基づくことができるか、又は特定のデバイスを使用可能にする当該特定のデバイスの摂動からなる一意の特徴（シグネチャ）に基づくことができ、物理的にコピー不可能な機能に類似した特性に基づいて認証される。認証は、局所的な通信を用いて各供給源とデバイスとの間で局所的に実行され得るか、又は第三者の認証方法と共に使用されることができ、この場合、供給源およびデバイスは中央権力部との通信で認証する。認証プロトコルは、位置情報を用いて、真のデバイスの局所的供給源（単数または複数）に警告することができる。
供給源およびデバイスは、周波数ホッピング技術を用いて、無線電力供給源の無断使用を防止することができる。供給源は、電力供給の共振周波数を連続的に調整または変更することができる。周波数の変更は、擬似ランダムの方法、又は再現可能であるが予測することが困難であると知られている所定の方法で実行され得るか、或いは許可されたデバイスに伝えられ得る。使用される周波数ホッピングのレート及び様々な周波数の数は、許可されていない使用が困難または実行不可能であることを十分に確実にするために大きく且つ頻繁にすることができる。周波数ホッピングは、インピーダンス回路網をチューニングすることにより、任意の駆動回路をチューニングすることにより、複数の共振周波数にチューニングされ又はチューナブルである複数の共振器を用いることなどで実現される。
供給源は、供給源がデバイス共振器に結合されて電力を送信しているか否か、供給源がスタンバイモードにあるか否か、又は供給源共振器が外部物体によりデチューンされている又は摂動を与えられているか否かに関して、供給源のステータスを示すためのユーザ通知能力を有することができる。当該通知能力は、視覚的方法、聴覚的方法、及び振動的方法を含むことができる。通知は、三色ライト（それぞれの色が各状態に対応）のように簡単にすることができ、オプションとして動作中のエラーの場合に通知を提供ためのスピーカとすることができる。代案として、通知能力は、供給源のステータスを示す、及びオプションとして特定された任意のエラー又は問題を如何にして修繕または解決するかに関する指示を提供する対話型ディスプレイを含むことができる。
別の例として、無線電力伝送は、爆発物の電子雷管の安全性を改善するために使用され得る。爆破装置は、電子雷管、電気雷管、又は衝撃波管の起爆装置で爆発する。電子雷管は、導電的に又は無線により送信された低いエネルギーのトリガ信号でもって、イグナイター電荷を活性化するために、蓄電された電気エネルギー（通常、キャパシタに）を利用する。電気雷管は、イグナイター電荷を活性化するために必要な信号およびエネルギーを供給するために、高いエネルギーの導電性トリガ信号を利用する。衝撃波管は、爆発物でコーティングされた中空管を介して制御された爆発を発生器からイグナイター電荷まで送る。意図されない活性化（起動）を生じる漂遊電磁エネルギーが存在するので、電気雷管および電子雷管に関連した安全性の問題が存在する。鋭い共振磁気結合を介した無線電力伝送は、係るシステムの安全性を改善することができる。
ここに開示された無線電力伝送の方法を用いることにより、局所的に蓄電されたエネルギーを備えない電子起爆システムが構築されることができ、かくして意図されない活性化の危険性が低減される。無線電力供給源は、起爆装置の近傍（数メートル以内）に配置され得る。起爆装置は、共振捕捉コイルを備えることができる。活性化エネルギーは、無線電力供給源がトリガされた場合に伝送され得る。無線電力供給源のトリガは、任意の数の機構、即ち無線、磁気近接場無線、導電性信号伝送、超音波、レーザ光により起動され得る。また、共振磁気結合に基づいた無線電力伝送は、岩、土、コンクリート、水、及び他の高密度物質のような構成物質を介して電力を伝送することができる利点を有する。受信器および供給源として、非常に狭い帯域応答を有し且つ専用周波数に鋭くチューニングされた非常に高いＱのコイルを使用することは、起爆装置の回路が漂遊ＥＭＩを捕捉することができず、且つ意図していない起動を行うことができないことを更に確実にする。
ワイヤレスで電力供給されるデバイスの共振器は、外部またはデバイスの外側にあることができ、デバイスのバッテリーに配線され得る。デバイスのバッテリーは、デバイス共振器の交流電流を受け取るために、適切な整流および制御回路を含むように変更され得る。これは、キーボード又はマウスの電池蓋、又はデジタルスチルカメラに組み込まれ得るように、或いは更に大きなコイルがデバイスに取り付けられるが、リボンケーブルでバッテリー／コンバータに戻るように配線されるように、より大きな外部コイルを有する構成を可能にすることができる。電池蓋は、外部コイルからバッテリー／コンバータへの相互接続（電池蓋のコンタクトに触れることができる露出されたコンタクトを必要とする）を与えるように変更できる。
撚り線型プリント回路基板トレース
以上に述べたように、磁気共振器の高Ｑ誘導性素子は、リッツ線導体から形成される。リッツ線は、特別にデザインされたパターンで編まれた細い絶縁線の束であり、細い個々の線が著しい長さにわたり大きな束内の同じ半径方向位置を占有するものではない。編みパターン及び複数の小直径線の使用は、表皮深さを効果的に増加させると共に、線のＡＣ抵抗をある周波数範囲にわたって減少させる。
以上に述べたように、磁気共振器の高Ｑ誘導性素子は、リッツ線導体から形成される。リッツ線は、特別にデザインされたパターンで編まれた細い絶縁線の束であり、細い個々の線が著しい長さにわたり大きな束内の同じ半径方向位置を占有するものではない。編みパターン及び複数の小直径線の使用は、表皮深さを効果的に増加させると共に、線のＡＣ抵抗をある周波数範囲にわたって減少させる。
又、磁気共振器の高Ｑ誘導性素子は、プリント回路基板（ＰＣＢ）トレースから形成することもできる。プリント回路基板トレースは、正確な再現性、一体化容易性、及び費用効果のある大量生産を含む種々の魅力的な特徴を有する。ここでは、複数の狭い絶縁トレースが複数の基板層上に潜在的に分布されて、編みパターン内の固定位置を維持しないと共に、標準的な製造技術を使用して製造できる低ＡＣ抵抗の撚り線型ＰＣＢトレースについて開示する。これら撚り線型トレースのＡＣ抵抗は、デザインされた編みパターンにおける狭い個々のトレースの数、サイズ及び相対的間隔と、編みパターンが印刷されて相互接続される基板層の数とにより、決定される。個々のトレースの絶縁は、空気、回路基板の材料、被覆、柔軟なシート、硬化材料、等によって与えられる。
ある実施形態において、ＰＣＢ製造のための撚り線トレース編みパターンは、容易に再現及び拡張でき、且つ高い個々のトレース密度を達成できるように設計される。達成できるトレース密度は、個々のトレースの狭さ、編みパターンの幾何学形状、及び例えば、編みパターンにおける「ビア」のような他の潜在的に大きな構造物又は特徴部を組み込む必要性により決定される。ある実施形態において、ＰＣＢの複数の層間の個々のトレースを接続するのに使用される全てのビア又はスルーホールを配置する方法及び設計では、マルチトレース編みパターンの外周部に配置されるのが好ましい。ビアを外側に配置することで、パターンの拡張及び再現が容易になると共に、個々のトレースの配置及び密度が緊密且つ均一なものとなる。というのは、パターンの均一性及び編み密度を潜在的に破壊する通常の大きな特徴部サイズのビアが編みパターンそれ自体の中に使用されないからである。
ここに使用する「撚り線型(stranded)トレース」という用語は、複数の小さな又は狭い個々のトレース、トレースセグメント又は線のグループから形成された導体を意味する。ここでは、多層ＰＣＢに個々のトレースを引き回して、ＡＣ抵抗が等価サイズの個体導体トレースより低い標準的なトレースを形成する技術について述べる。
積層ＰＣＢにおける個々のトレースの編組(braiding)は、撚り線型トレースの各個々のトレースを、ＰＣＢの種々の層にわたって及びそれを通して波打つように特定のパターンで引き回すことにより達成される。個々のトレースの編みパターンは、撚り線型トレースにおける全ての個々のトレースが実質的に同じインピーダンスをもつように設計される。即ち、撚り線型トレースに付与される交流は、各個々のトレースに実質的に同じ量が流れる。電流は、撚り線にわたって均一に分布されるので、ＡＣ抵抗が減少される。撚り線型導体は、特定のＡＣ周波数に対して最小の抵抗となるように最適に設計される。ある実施形態では、個々のトレースの数及びサイズ、ＰＣＢの層の数、接続の複雑さ、基板のスペース、等のシステムトレードオフは、最適な編みパターン及びデザインを決定すると考えられる。
ここでは、特定数の層を伴う積層ＰＣＢ基板を使用する実施例について述べる。一実施例における層の特定数は、方法及び設計を明瞭にするために使用されるのであって、それに限定されると考えてはならない。これら方法及び設計は、より多くの又はより少ない層をもつＰＣＢへと拡張及び縮小することができる。
ここでは、特定の積層ＰＣＢ技術又は具現化を参照する実施例について説明する。ここに述べる技術、方法、アルゴリズム及び具現化は、全て、一般的なものであって、柔軟な回路基板、等を含む広範囲な積層プリント回路基板技術及び具現化に適用することができる。
撚り線型トレースを形成するように個々のトレースを引き回す方法は、個々のトレース又はトレースのセグメントをＰＣＢの異なる層において引き回し、そしてそれにより得られる撚り線型トレース内で各個々のトレース又はセグメントの相対的な位置を変更することを含む。撚り線型トレースの各個々のトレースは、各ＰＣＢ層においてその位置を変更することができ、又は個々のトレースは、異なるＰＣＢ層のパターン内で２つ以上の位置間を交番することができる。撚り線型トレースの各個々のトレースは、積層型ＰＣＢの全ての種々の層を通して波打つのが好ましい。
積層型ＰＣＢ技術では、トレースは、ビア又はスルーホールで異なる導体又はＰＣＢ層へ引き回すことができる。ビアの寸法は、個々のトレースの考えられる最小寸法、個々のトレース間の最小間隔、又は当該周波数におけるＡＣ電流の表皮深さより大きい。ある実施形態では、デザインされた編みパターン及び引き回し方法は、撚り線型トレース又は編みパターンの外側の縁又は外部にビアを配置することにより実現される。ある実施形態では、個々のトレース及びトレース間隔について製造制約が与えられると、個々のトレースをできるだけ密接にパックしても、高Ｑ誘導性素子に適したＡＣ抵抗値を得ることができる。
ＰＣＢに撚り線型トレースを形成する方法及び設計は、各層における個々の導体トレースの特定の引き回し及びＰＣＢの各層間の特定の引き回しを含む。
方法及び設計の主たる特徴の幾つかを示す図５２の実施例について、引き回し方法及び設計を説明する。図５２は、４層プリント回路基板の各層に形成される個々のトレースに対する規範的な編みパターンを示す。基板の各層にわたり個々のトレースを接続することで、７つの個々のトレースを含む撚り線型トレースを形成することができる。これらの７つの個々のトレースは、図示されたパターンで配列され、希望の長さの撚り線型トレースへと繰り返される。各層における個々のトレースは、図５２の（ａ）では、黒い線で示され、そしてトレースの各側にはビアが黒いドットで示されている。図５２の（ａ）は、導体の個々の層を、明瞭化のために、横に並べて示している。ＰＣＢにおいて、４つの層が互いに上下に積層され、ＰＣＢの絶縁層により分離されている。撚り線型導体の側部のビアは、全ての層を通して（全ての層にわたり）共用される。図５２における第１の下部ビア５２０１は、層が互いに上下に積層されたときには、同じビアとなる。各ビアに隣接する２つの部材は、そのビアにより接続される個々のトレースをもつ層を表す。例えば、４−１と示された第１の下部ビア５２０１は、そのビアに接続される第４の導電層及び第１の導電層の個々のトレースセグメントを接続する。
図５２の（ｂ）は、図５２の（ａ）からのパターンの三次元図である。各層の個々のトレースは、黒い線で示され、そして層間のビアによりなされる接続は、破線及び点線で示されている。この実施例のパターンの４つの層は、互いに上下に積層される。層の間隔及び規模と、各層の個々のトレース間の分離は、図の明瞭化を改善するために誇張されている。ビアは、２つの層間の個々のトレースセグメントを接続する。この実施例では、各層からの全ての個々のトレースセグメントが撚り線型トレースの巾を横断し、ビアで隣接層へ引き回される。
撚り線型トレースは、編みパターンの両側のビアの行により並べられる。各ＰＣＢ層において、個々のトレースは、有効撚り線型トレースの巾を横断する。各個々のトレースセグメントは、撚り線型トレースの片側のビアから撚り線型トレースの他側のビアへ引き回される。各ＰＣＢ層において、各引き回される個々のトレースは、その個々のトレースを別のＰＣＢ層の個々のトレースへ接続するビアから引き回される。個々のトレースは、有効撚り線型トレースの巾を横断すると共に、撚り線型トレースの軸に対する距離も横断するように、引き回される。撚り線型トレースの軸は、撚り線型トレースの長さに沿って延びる垂直線であり、且つ撚り線型トレースに並ぶビアの行に平行である。規範的な撚り線型トレースの軸が図５２の（ａ）に矢印５２０３で示されている。
ある実施形態において、各個々のトレースは、撚り線型トレースの軸に対して実質的に対角方向に有効に引き回される。ＰＣＢの各導電層において、個々のトレースは、実質的に同じ方向に引き回される。図５２の（ａ）及び（ｂ）の規範的実施形態では、層１の全ての個々のトレースが、撚り線型トレースの片側のビアから他側のビアへ実質的に対角方向に引き回される。そのビアにおいて、個々のトレースを、ＰＣＢの別の層へ引き回すことができる。又、ある層からの全ての個々のトレースを、ビアにおいて、同様の、異なる、並進移動、反転、等の編みパターンで、別の層へ引き回すこともできる。次の層において、個々のトレースを、再び、例えば、撚り線型トレースの片側のビアから撚り線型トレースの他側のビアへ実質的に対角パターンで引き回し、等々を行って、他の層へ引き回すこともできる。このパターンは、個々のトレースがＰＣＢの導電層の全部又は幾つかを横断するまで続けることができ、その際に、個々のトレースは、出発導電層又は中間導電層へ戻される。個々のトレースは、多数のサイクルの間、編みパターン、ＰＣＢにおける導電性層の数、撚り線型トレースの望ましい長さ、等に基づく仕方で波打つ。ある実施形態において、撚り線型トレースの終了点は、他の回路素子又は導体への接続を容易にすべく接近できるように、ＰＣＢの上部層及び／又は下部層に存在するよう設計される。
ある実施形態において、各順次の導体層では、個々のトレースは、撚り線型トレースの軸に対して実質的に対角方向に引き回される。ある実施形態において、各順次の導体層では、個々の導体トレースは、手前の導体層に対して実質的に直交する方向に引き回される。このパターンは、図５２の（ａ）及び（ｂ）に見られる。層１の個々のトレースは、撚り線型トレースを図において左から右へ横断する実質的に対角方向に引き回される。それに続く層、即ち層２では、個々のトレースは、層１の導体トレースに実質的に直交する実質的に対角方向に引き回され、そして撚り線型トレースの右から左へ引き回される。
種々の導体層を通る１つの個々の導体トレースのルート又は経路は、１つの個々のトレースの経路が黒い点線で強調された図５３の（ａ）において容易に区別することができる。層４と層１を接続する下部ビア５２０１でスタートして、個々のトレースは、撚り線型トレースの左側から、層１と層２を接続する右側のビアへと引き回される。この規範的実施形態では、層１の全ての個々のトレースは、層４と層１を接続するビア、及び層１と層２を接続するビアから引き回される。個々のトレースは、ビアにより層２へ引き回され、そして層２において右から左へ、層２と３を接続するビアへと引き回される。層２では、個々のトレースは、層３と４を接続するビアへと引き回される。層４では、個々のトレースは、層４と１を接続するビアへと引き回され、個々のトレースを第１の層へ戻す。このパターンは、特定長さの撚り線型トレースに対して必要に応じて何回も繰り返すことができる。
１つの規範的な実施形態の導体層を通る１つの個々の導体トレースのルート又は経路の斜視図が図５３の（ｂ）に示されている。１つの個々のトレースの経路が黒い太線で示されている。個々のトレースは、各層の撚り線型トレースの巾を、撚り線型トレースの片側の１つのビアから、撚り線型トレースの他側のビアへ横断する。個々のトレースは、ビアにより他の層へ引き回される。４つの層全部を横断した後に、個々のトレースは、出発層へ戻り、そしてパターンが続けられる。
図５２及び図５３に示された規範的ルートパターンは、編みパターンを形成する個々のトレースにおいて９０度の角度を特徴とし、そして個々のトレースに対する直線的ルートパターンに基づくものであるが、種々の他の編み及びルートパターンを使用してもよい。又、規範的実施形態において、他の編み及びルートパターンが、撚り線型トレースの軸に対して実質的に対角方向に沿った個々のトレースパターンを形成し得る。例えば、個々のトレースは、トレース間のギャップを減少する上で助けとなるように、浅い角度（４５度のような）で曲がってもよい。ある実施形態において、各個々のトレースを、２つのビア間に直接接続されるまっすぐな斜線とするのが好都合である。他の実施形態では、撚り線型トレースが回路基板に沿った直線経路をたどらずに、例えば、ある方向にターンし又はループするときに、個々のトレースの種々のカーブを使用することができる。個々のトレースに対する多数の別の規範的な対角方向の編み及びルートパターンが図５４に示されているが、多数の他のパターンを導出することもできる。ある用途では、ある対角方向引き回し方法が好ましい。例えば、図５４の（ａ）に示す引き回しでは、個々のトレースが直線であり、これは、隣接する個々のトレース間に一貫した間隔を維持しながら最短の全導体長さを生じるので、好ましい。ある実施形態において、ＰＣＢの幾つかの又は全部の導体層間で編みパターンが異なってもよい。図５２に示す規範的な撚り線型トレースについては、偶数層の編みパターンが奇数層の編みパターンから相違する。図５２に示す規範的な撚り線型トレースでは、個々のトレースは、奇数層では撚り線型トレースの軸の方向に４つのビアの距離引き回されるが、偶数層では３つのビアの距離だけ引き回される。
図５２に例示されたように、本発明のスキームは、個々のトレースのアレイ又はグループのいずれかの側にビアを集中させる。従って、ビア（最小特徴部サイズがトレース及びトレース間ギャップより大きい）は、個々のトレース内又はトレース間にスペースを取らない。ビアのこの構成は、トレースの全体的密度を高くし、それ故、断面積当たりのＡＣ抵抗を低くする。
上述した規範的な引き回し構造は、積層ＰＣＢの種々の数の導電層及び種々の数の個々のトレースを含む撚り線型トレースについて一般化することができる。引き回し方法の一般的な特徴は、導体層の数を表す整数Ｎと、撚り線型トレースを形成する個々の導体トレースの数を表す整数Ｍとによって特徴付けられる。
ここに開示する設計及び方法については、偶数の導体層を有するのが好ましい。ある特定の編み及び引き回しパターンについては、２つの層上のトレースを接続するビアを使用することができる。Ｎ個の導体層をもつ撚り線型トレースは、各ビアが２つの層しか接続しない場合は異なる層を接続するＮ個の形式のビアを有していなければならない。各形式のビアは、それが接続する層により区別又は差別化される。各ビアが２つの層しか接続しない場合には、個々の導体がＰＣＢ基板のＮ個の形式全部を横断するために、Ｎ個の形式のビアが撚り線型トレースになければならない。撚り線型トレースの各側にＮ／２個の形式のビアがあって、固定の繰り返し順序で配列されるのが好ましい。４つの形式のビアの図５２に示す規範的パターンでは、層４と１及び層２と３を接続する２つの形式のビアが撚り線型トレースの片側のみに配置され、一方、層１と２及び層３と４を接続する他の２つの形式のビアが撚り線型トレースの他側に配置される。各層において、個々のトレースは、少なくともＮ／２ビアに等価な距離の変位をもつように撚り線型トレースの軸に対して実質的に対角方向に引き回されるのが好ましい。ある層の全ての個々の導電性トレースは、撚り線型トレースの軸に同じ変位をもつことができる。
撚り線型トレースを形成する個々のトレースの数は、少なくとも一部分は、個々のトレースがＰＣＢの全ての導体層を経て移動した後になす合計変位であって通過したビアの数により時々特徴付けられる合計変位によって決定される。全ての層を横断した後の変位がＤビアである場合には、撚り線型トレースは、Ｄ／（Ｎ／２）までの個々のトレースより成る。この関係は、図５３の例に見ることができる。点線で表された個々のトレースは、全ての導体層を通して移動した後に撚り線型トレースの軸に沿って１４個のビアに等価な距離だけ変位される。この例では、Ｎ＝４の層があるので、撚り線型導体を形成する個々の導体の合計数は、Ｍ＝１４／２＝７である。
撚り線型トレースは、撚り線に含まれる個々のトレースの数を考慮することにより最適化することができる。個々のトレースの数が多いほど、個々のトレースが１つの層においてより長く費やし、減少する表皮／接近効果に対する編みパターンの有効性を低減させることがある。
個々のトレースの数及び導体層の数が適切に選択された場合には、各個々のトレースが撚り線型導体の軸に沿って各層で同じ距離変位されることを保証することができる。これを行うに充分な条件は、Ｍ（Ｎ／２）を、それがＮで割り切れるように選択すると共に、モジュロ演算を“ｍｏｄ”とすれば、Ｍを、（Ｍ／２）ｍｏｄ（Ｎ／２）及びＮ／２が共素数であるように選択することである。
図５５は、ここに提案する方法の編まれた個々のトレースの部分パターンの別の実施例を示す。この図は、１０層の撚り線型トレース設計の第１層の個々のトレースを示す。１０層の撚り線型トレースは、１３６本の個々の導体より成る。撚り線型トレースのパラメータは、撚り線型導体の全１０層に完全な対称性を許す。各導体層パターンは、手前の層の並進移動鏡像である。即ち、奇数番号層におけるトレースのパターンは、個々のトレースセグメントの端が正しいビアに接続されるように並進移動された第１層と同じパターンである。偶数番号層のパターンは、この実施例では、反射対称性及び同様の並進移動により回復することができる。
図５６は、多層ＰＣＢの導電層を表す断面図である。各層の個々のトレースセグメント（見えない）、ひいては、それらが導通する電流は、主として紙面に向かって流れるが、図中に水平の矢印で示すように、各層に沿った付加的な横向きの変位を有する。この水平の変位は、各トレースが所与の層の編みパターンの片側から編みパターンの反対側へ移動できるようにする。個々のトレースセグメントは、それが特定層の編みパターンの縁に到達すると、ビア（垂直の矢印で示す）により、基板の次の層の別のトレースセグメントへ接続され、そして編みパターンを逆方向に戻る。このパターンがそれ自体繰り返されて、各個々のトレースは、編みパターンの断面に沿った各位置でほぼ等しい時間を費やす。或いは又、個々のトレースは、非逐次的に層間を引き回されてもよい。層の順序の任意の順列を使用してもよい。各個々のトレースは、トレースの撚り線における層の同じ順序又は順列をたどるのが好ましい。下部層のトレースセグメントを上部層のトレースセグメントに接続するか、又は上述した交互の順列をたどってトレースを上下に引き回すことにより、パターンを継続できることに注意されたい。
ＰＣＢに撚り線型トレースを形成する個々のトレースの断面寸法は、その隣接部の１つの個々のトレース又はセグメントによって誘起される損失を、分離された個々のトレース又はセグメントの損失（表皮深さより小さい個々のトレースに対して直流（ＤＣ）損失に近い）に比して少なくするに充分なほど小さい（好ましくは、１つの表皮深さ
より小さい）のが好ましい。撚り線の編組化は、全ての撚り線が実質的に同じインピーダンスをもつことを保証する上で助けとなり、束ねた撚り線にまたがって同じ電圧を印加した（即ち、撚り線が並列に駆動された）場合に、撚り線が実質的に同じ電流を個々に導通するようにする。ＡＣ電流が撚り線にわたって均一に分布するので、ＡＣ抵抗が更に最小にされる。
より小さい）のが好ましい。撚り線の編組化は、全ての撚り線が実質的に同じインピーダンスをもつことを保証する上で助けとなり、束ねた撚り線にまたがって同じ電圧を印加した（即ち、撚り線が並列に駆動された）場合に、撚り線が実質的に同じ電流を個々に導通するようにする。ＡＣ電流が撚り線にわたって均一に分布するので、ＡＣ抵抗が更に最小にされる。
以上の例示として、２５０ｋＨｚで駆動される方形断面の個々の銅トレースで作られた撚り線型トレースにおいて限定素子分析シミュレーションが遂行された。このシミュレーションは、種々のアスペクト比及び異なる寸法の個々の導体を有する撚り線型トレースにおいて遂行された。個々のトレースの断面をグレーで示す撚り線型トレースの断面が図５８に示されている。この周波数では、純粋な銅の表皮深さが〜１３１μｍである。断面が１５２μｍｘ１５２μｍの個々のトレース５８０１（１つの表皮深さより若干大きい）を８層の方形アレイへと配列して、層に沿った及び層間の最も近いトレース間のギャップが図５８の（ａ）のように７６μｍであるようにする場合には、図５２のパターンと同様に編組された撚り線型トレース導体のメータ当たりの抵抗値が１８．７ｍΩ／ｍとなり、この構造の長さ当たりのＤＣ抵抗値１１．４ｍΩ／ｍより６４％高いことが分かった。対照的に、この構造の長さ当たりの抵抗値は、トレースが編組型でないか又は撚り線型トレースの軸に全て平行である場合には、３１．２ｍΩ／ｍであり、ＤＣ値のほぼ３倍である。
断面が７６μｍｘ７６μｍの撚り線型トレースの個々のトレース５８０２を形成し、そしてそれらを１６層の方形アレイへと配列して、トレース間のギャップが図５８の（ｂ）のように３８μｍであるようにした（従って、断面全体は、先の実施例から本質的に不変である）場合には、編組構造のＡＣ抵抗値が１３．２ｍΩ／ｍであり、ＤＣ値より約１６％高いことが分かった。
トレースの断面寸法を（例えば、製造上の制約のために）表皮深さより著しく小さくできない場合には、個々のトレースのアスペクト比を増加することにより接近損失を減少することができる。ここで、アスペクト比とは、単一トレースにおける撚り線型導体の有効巾を、撚り線型トレースを形成する導電層及び絶縁層の積層体の厚みで除算したものである。あるケースでは、撚り線型トレースの厚みは、ＰＣＢの厚みによりほぼ与えられる。シミュレーションが示すように、上述した１５２μｍｘ１５２μｍトレースの撚り線のアスペクト比を変更して、図５８の（ｃ）に示すように、各層におけるトレースセグメントを２倍にするが、層数を半分にした場合には、２５０ｋＨｚにおけるＡＣ抵抗値を１８．７ｍΩ／ｍから１６．０ｍΩ／ｍへ減少することができる。７６μｍｘ７６μｍトレースをもつ構造の場合、図５８の（ｄ）に示すように、個々の導体の本数を同じに保つが、構造体の厚みを１／２にすると、ＡＣ抵抗値が１３．２ｍΩ／ｍから１２．６ｍΩ／ｍに下がる。両方のケースにおける長さ当たりのＤＣ抵抗値は、１１．４ｍΩ／ｍである。ある実施形態において、撚り線型トレースの好ましいアスペクト比は、用途に依存する。ある実施形態において、特定の高Ｑ誘導性素子設計に対する最良の編みパターンを決定する上で種々のファクタが考えられる。
ここに提案する解決策の利益は、撚り線型トレースに使用されるビアが基板を完全に穿孔することである。即ち、部分的なビアも、埋め込みビアも必要とされない。基板を完全に穿孔するビアを使用することで、製造プロセスが簡単化される。例えば、複数の基板を一緒に積層して、同時に穿孔することができる。部分的なビア、又はＰＣＢの幾つかの連続層を貫通するだけのビアは、典型的に、個々の層をアッセンブルする前に穿孔を必要とする。同様に、埋め込み型ビア、又はＰＣＢのある内部層を接続し又は貫通するビアは、製造中にＰＣＢの外側層をアッセンブルする前に穿孔及び準備を必要とする。
ここに述べる方法及び設計の別の利益は、編みパターンの外縁におけるビアの位置が、マルチターン又は高密度の撚り線型トレースパターン間に小さな分離を許すことである。２つの撚り線型トレースがＰＣＢ上で互いに隣接して延びるとき、又は撚り線型トレースの異なる区分がＰＣＢ上で互いに隣接して延びるように単一の撚り線型トレースが整形され、パターン化され、折り返され、ターンされ、及び／又は引き回されるときに、近傍のビアを再使用するか又はそれらビア間に間隔を置くことによりそれらトレース間の分離を減少することができる。例えば、図５７は、ビアの同じ行を共用する２つの撚り線型トレース５７０１、５７０２をもつＰＣＢの上部層を示しており、明瞭化のために、右の撚り線型トレース５７０２のビアは、白く塗り潰した円として示され、一方、左の撚り線型トレース５７０１のビアは、黒い円として示されている。２つの撚り線型トレース５７０１、５７０２間のビア５７０３は、全て、同じ行にあり、そして２つの撚り線型トレース間には実質的にスペースがない。互いに上下に積層されるＰＣＢの全ての層又は全厚みを個々に横断も貫通もしない埋め込みビア又は盲ビアを使用すると、個々の導体トレースの引き回し密度を更に高くすることができる。というのは、隣接する撚り線型トレースのビアを収容するためにビア間の間隔を増加する必要がないからである。
当業者であれば、ここに示す実施例に対して本発明の精神の中で多数の変更及び修正がなされ得ることが明らかであろう。例えば、ＰＣＢを穿孔する貫通ビアがこの方法に使用されるが、盲ビア又は埋め込みビアを使用することもできる。２つ以上のビアを上下に重ねることもできるし、１つのビア位置を使用して２組以上の導体層を一緒に接続し、撚り線型トレースにおける導体トレースの密度を高めることもできる。同様に、これら実施例では、２つの基板（導体）層だけを一緒に接続するビアが使用されるが、各導体トレースが複数の層上に同時に引き回されるように引き回し方法を変更することができる。ここに提案する方法の精神の中での他の変更は、個々の導体トレースを１つのビアから複数のビアへ引き回し、各層において複数のビアから１つのビアへ引き回し、複数の導体トレースを使用して各導体層において１つのビアから別のビアへ引き回し、又はそれらを組み合わせることを含む。
ある実施形態では、全てのトレースが実質的に同じインピーダンスを与えるように保証するため、層間で導体トレースを整列ずれさせるのが有益である。
撚り線型トレースは、大きな種々の組の用途に有用であり、典型的に慣習的な編組リッツ線を使用する用途において代用品として働くことができる。撚り線型トレースは、慣習的な誘導ベースの電力伝達システム又は近接場磁気共振電力伝達システムのような磁界電力伝達システムに使用されるコイルを形成するように種々の形状及び寸法のループ（単数又は複数）で引き回される。撚り線型トレースが共振器の一部分として使用される幾つかの実施形態及び用途では、共振器のＱを最大にするように、トレース寸法、アスペクト比、引き回しパターン、等を選択することができる。ある実施形態では、高Ｑ共振器の共振周波数は、特定の編みパターン及び／又は撚り線型トレース設計の利点を取り入れるように選択される。
ある実施形態では、ＰＣＢの撚り線型トレースループは、ループの中央部に磁気材料のコアを配置してコア付きループを形成するように引き回される。ＰＣＢは、コアを収容するために多数の切欠部、チャンネル、ポケット、マウント、又はホールをもつことができる。
ある実施形態では、撚り線型トレースのＰＣＢは、更に、他の電子装置又は電子部品を支持し一体化するように使用される。撚り線型トレースにより形成された共振器を付勢又は駆動する電子装置は、トレースと同じＰＣＢに配置することができる。
調整可能な供給源サイズ
無線電力伝達方法の効率は、供給源とデバイスとの間の分離距離と共に低下する。供給源共振器とデバイス共振器との間のある分離における無線電力伝達の効率は、調整可能なサイズをもつ供給源で改善することができる。本発明者は、固定の分離における無線電力伝達の効率は、供給源共振器及びデバイス共振器の相対的なサイズを調整することにより最適化できることを発見した。固定サイズ及び幾何学形状のデバイス共振器の場合、供給源共振器は、ある分離、位置、及び／又は方向において無線電力伝達の効率を最適化するサイズにすることができる。供給源共振器及びデバイス共振器が互いに接近するときは、両共振器の特性サイズ又は有効サイズが同様であるときに電力伝達効率を最適化することができる。大きな分離においては、デバイス共振器に対して供給源共振器の有効サイズを増加することにより電力伝達効率を最適化することができる。供給源は、デバイスが供給源に接近したり離れたりするときに供給源共振器のサイズを変更又は調整して、電力伝達効率を最適化するか、又は確かな望ましい電力伝達効率を達成するように構成される。
無線電力伝達方法の効率は、供給源とデバイスとの間の分離距離と共に低下する。供給源共振器とデバイス共振器との間のある分離における無線電力伝達の効率は、調整可能なサイズをもつ供給源で改善することができる。本発明者は、固定の分離における無線電力伝達の効率は、供給源共振器及びデバイス共振器の相対的なサイズを調整することにより最適化できることを発見した。固定サイズ及び幾何学形状のデバイス共振器の場合、供給源共振器は、ある分離、位置、及び／又は方向において無線電力伝達の効率を最適化するサイズにすることができる。供給源共振器及びデバイス共振器が互いに接近するときは、両共振器の特性サイズ又は有効サイズが同様であるときに電力伝達効率を最適化することができる。大きな分離においては、デバイス共振器に対して供給源共振器の有効サイズを増加することにより電力伝達効率を最適化することができる。供給源は、デバイスが供給源に接近したり離れたりするときに供給源共振器のサイズを変更又は調整して、電力伝達効率を最適化するか、又は確かな望ましい電力伝達効率を達成するように構成される。
ここに示す実施例では、供給源のみが調整可能なサイズを有する無線電力伝達システム及び方法について説明する。デバイスも調整可能なサイズであって多数の同じ利益を得られることも理解されたい。あるシステムでは、ソース及びデバイスの両方が調整可能なサイズであり、又、他のシステムでは、供給源のみ又はデバイスのみが調整可能なサイズである。供給源のみが調整可能なサイズであるシステムは、ある状況において、より実用的となる。多くの実用的な設計において、デバイスのサイズは、例えば、デバイス共振器を一体化しなければならないデバイスの物理的寸法、コスト、重量、等により、固定され又は制約を受け、調整可能なサイズのデバイス共振器を実現不能又は困難にする。しかしながら、当業者であれば、ここに述べる技術は、調整可能なサイズのデバイス、調整可能なサイズの供給源、又はその両方を伴うシステムに使用できることが明らかであろう。
ここでは、共振器の「物理的サイズ」ではなく、共振器の「有効サイズ」を参照する。共振器の物理的サイズは、共振器の特性サイズ（例えば、有効２Ｄ共振器を包囲する最小円の半径）により定量化される。有効サイズは、共振器構造の電流搬送誘導性素子により囲まれる表面積の程度又はサイズを指す。誘導性素子が、例えば、スイッチの集合により互いに接続される、減少する半径の一連の同心ループを含む場合には、共振器の物理的サイズは、構造体における最大ループの半径により与えられるが、共振器の有効サイズは、インダクタへ「スイッチ」されて電流を搬送する最大ループの半径により決定される。
ある実施形態では、例えば、共振器を含む導体の小部分が付勢されたときに、共振器の有効サイズが、共振器の物理的サイズより小さくなる。同様に、共振器の有効サイズが共振器の物理的サイズより大きくなる。例えば、例えば、本発明の１つの実施形態において以下に述べるように、所与の物理的サイズをもつ複数の個々の共振器が、共振器アレイ、グリッド、多素子パターン、等を形成するように配列されるときは、共振器アレイの有効サイズが個々の共振器の物理的サイズより大きくなる。
無線電力伝達効率と、供給源共振器−デバイス共振器の分離との間の関係が、図５９の（ａ）に示されている。図５９の（ａ）のグラフは、供給源の容量性負荷される導体ループ共振器５９０２及びデバイスの容量性負荷される導体ループ共振器５９０１が軸５９０３上にあり（センタリングされ）そして互いに平行である図５９の（ｂ）に示す構成について、無線電力伝達効率を示している。このグラフは、ある範囲の分離距離５９０６に対して、固定サイズ５ｃｍｘ５ｃｍのデバイス共振器５９０１、及び３つの異なるサイズの供給源共振器５９０２、５ｃｍｘ５ｃｍ、１０ｃｍｘ１０ｃｍ及び２０ｃｍｘ２０ｃｍについて示されている。異なる分離における無線電力伝達の効率は、供給源共振器及びデバイス共振器の相対的サイズに依存することに注意されたい。即ち、最も効率的な無線電力伝達を生じる供給源共振器のサイズは、供給源共振器とデバイス共振器との間の分離が異なると、異なるものになる。図５９の（ａ）のグラフにより捕捉される構成では、例えば、分離が小さいと、供給源共振器及びデバイス共振器が実質的に等しいサイズであるときに、効率が最も高くなる。分離が大きいと、供給源共振器がデバイス共振器より実質的に大きいときに、無線電力伝達の効率が最高となる。
本発明者は、供給源共振器とデバイス共振器との間の分離が変化する無線電力伝達システムの場合に、種々の有効共振器サイズをもつように供給源を構成できるのが有利であることを発見した。デバイスが供給源に接近したり離れたりするときに、供給源共振器は、電力伝達効率を最適化するか又はある範囲の望ましい伝達効率で動作するようにその有効共振器サイズを変化することができる。有効共振器サイズのこのような調整は、手動でも自動でもよく、そして全体的なシステム制御、追跡、動作、安定化及び最適化アーキテクチャの一部分でもよい。
又、調整可能な供給源サイズをもつ無線電力伝達システムは、供給源により付勢される全てのデバイスが、同様のサイズのデバイス共振器をもたないときにも有益である。供給源とデバイスとの間の固定の分離において、２つの異なるサイズのデバイス共振器をもつデバイスは、異なるサイズの供給源共振器に対して最大の伝達効率を実現することができる。従って、チャージングプロトコル、デバイス電力要件及びハイアラーキーに基づき、供給源は、デバイスの１つ、デバイスのクラス、全てのデバイス、等を優先的にチャージし又は給電するようにそのサイズを変更することができる。
更に、単一の供給源が複数のデバイスに同時に給電することが要求されるときに、調整可能なサイズの供給源から付加的な利益を得ることができる。より多くのデバイスが電力を要求するときは、供給源共振器により囲まれる空間位置又はエリア、或いは供給源共振器の活性エリアを変化させる必要がある。例えば、複数のデバイスが、あるエリアに配置されて互いに分離される場合には、複数の全てのデバイスを含む大きなエリアを付勢するために供給源を拡大する必要がある。電力を要求するデバイスの数が変化するか、又はそれらの分布及び位置が供給源に対して変化するときには、調整可能なサイズの供給源は、その供給源の周囲の磁界の特性及び空間分布を変化させるようにそのサイズを変化させることができる。例えば、供給源が単一のデバイスに電力を伝達することが要求されるときには、磁界の適当な空間分布を伴う比較的小さな供給源サイズを使用して、望ましい無線電力伝達効率を得ることができる。供給源が複数のデバイスに電力を伝達することが要求されるときには、大きな供給源サイズ、又は磁界の異なる空間分布を伴う供給源が有益である。というのは、デバイスが供給源の周りの複数の位置にあるからである。電力を要求するデバイスの数が変化するとき、又はそれらの分布又は電力要件が変化するときには、調整可能なサイズの供給源は、その動作パラメータ及び仕様を調整し、最大にし、最適化し、超過し、又は満足するように、そのサイズを変化することができる。
調整可能な供給源サイズの別の考えられる利益は、供給源に対するデバイスの位置の不確実性又は変化に関連した電力伝達の非効率性を低減することである。例えば、供給源に対してある横方向変位を有するデバイスは、低い電力伝達効率を経験することがある。図６０の（ａ）のグラフは、供給源の容量性負荷導体ループ共振器６００２及びデバイスの容量性負荷導体ループ共振器６００１が互いに平行であるが、それらの中心軸６００６、６００５間に横方向オフセット６００８を有する図６０の（ｂ）に示す構成に対する無線電力伝達効率を示している。図６０の（ａ）のグラフは、平行に方向付けされた５ｃｍｘ５ｃｍの供給源共振器６００２から２ｃｍ ６００８だけ分離された５ｃｍｘ５ｃｍのデバイス共振器６００１の電力伝達効率（太線）、又は２０ｃｍｘ２０ｃｍの供給源共振器６００２の場合のその電力伝達効率（点線）を示す。５ｃｍｘ５ｃｍの供給源共振器からの約５ｃｍの横方向オフセット６００７（デバイス共振器の中心から供給源共振器の中心まで）において、電力伝達効率に「デッドスポット」があることに注意されたい。即ち、伝達効率は、特定の供給源−デバイスオフセットにおいて最小にされ又はゼロに近付く。図６０の（ａ）の破線が示すように、同じ分離及び同じ横方向オフセットにあるが供給源サイズが２０ｃｍｘ２０ｃｍに調整された同じデバイスの無線電力伝達効率は、９０％より高い。５ｃｍｘ５ｃｍから２０ｃｍｘ２０ｃｍへの供給源サイズの調整は、「デッドスポット」の位置を、約５ｃｍの横方向オフセットから、１０ｃｍ以上の横方向オフセットへと移動する。この実施例では、供給源サイズを調整することで、無線電力伝達効率を、ほぼゼロから９０％以上に増加させる。２つの共振器が軸上にあるか、センタリングされているか、又はその横方向オフセットが約２から３ｃｍ未満であるときには、２０ｃｍｘ２０ｃｍの供給源共振器は、５ｃｍｘ５ｃｍのデバイス共振器に対して電力伝達効率が低いことに注意されたい。ある実施形態では、供給源サイズの変更を使用して、チャージング又は給電デッドスポット、或いは伝達効率の最小値の位置を移動し、デバイスのための大きなポジショニング融通性及び／又は高い結合効率を許すことができる。
ある実施形態では、調整可能なサイズの供給源は、電源によるか又は電力・制御回路により選択的に駆動される種々のサイズの共振器のバンクとして具現化することができる。所定の要件、計算された要件、監視による情報、感知又はフィードバック信号、通信、等に基づいて、適切なサイズの供給源共振器は、電源により及び／又は電力・制御回路により駆動され、そしてそのサイズは、供給源共振器とデバイス共振器との間の距離又は要件が変化するときに調整される。異なるサイズの共振器のバンクの考えられる構成が図６１に示され、この図は、３つの異なるサイズの共振器のバンクを示す。図６１の実施例において、３つの共振器６１０１、６１０２、６１０３は、同心的に配列されて、電力・制御回路６１０４に結合される。共振器のバンクは、他の構成及び配列を有してもよい。図６２のように、異なる共振器が、並置されてもよく、アレイに配置されてもよく、等々である。
マルチサイズの共振器バンクの各共振器は、それ自身の電力・制御回路を有するか、その各々が、スイッチ、リレー、トランジスタ、等によりスイッチインされて、１つ以上の電力・制御回路へ選択的に接続される。あるシステムでは、各共振器が電力・制御回路に誘導的に結合される。他のシステムでは、各共振器が、電子コンポーネントの付加的なネットワークを経て電力・制御回路に結合される。付加的な回路６２０１、６２０２、６２０３を伴う３共振器構成が図６２に示されている。付加的な回路６２０１、６２０２、６２０３は、各共振器６１０１、６１０２、６１０３と電力・制御回路６２０４との間のインピーダンスマッチングに使用される。あるシステムでは、各共振器及びその各付加的な回路に、電力・制御回路から見たものと同じ有効インピーダンスをもたせるのが好都合である。ある実施形態では、各共振器及び付加的なインピーダンスマッチングネットワークの有効インピーダンスが電源又は電力・制御回路の特性インピーダンスにマッチングされる。全ての共振器に対して同じ有効インピーダンスは、共振器バンク内の共振器間をより容易に、より効率的に、又はより迅速にスイッチすることができ、電力・制御回路に必要な同調又は同調可能なコンポーネントが少なくなる。
マルチサイズ共振器のバンクを伴うシステムのある実施形態では、付加的な回路６２０１、６２０２、６２０３は、電力・制御回路により駆動も給電もされないときに共振器をディスエイブルし、デアクチベートし又は離調する付加的なトランジスタ、スイッチ、リレー、等も含む。このシステムのある実施形態では、供給源の共振器バンクの全ての共振器が同時に給電又は駆動されるのではない。このシステムのこのような実施形態では、供給源の非給電共振器がエネルギー吸収することによる電力伝達のエネルギー損失を減少するために、非アクティブな共振器をディスエイブルし又は離調するのが望ましい。供給源の非給電共振器は、共振器の導体を開路し、中断し、接地し、又は切断することにより、他の共振器の共振周波数からデアクチベートされ又は離調される。トランジスタ、スイッチ、リレー、等を使用して、共振器の導体部分の電気経路を選択的に開閉することができる。非給電共振器は、スイッチ、トランジスタ、リレー、等と共に、共振器にキャパシタンス又はインダクタンスを追加し又は除去することにより、同様に、離調され又はデアクチベートされる。ある実施形態では、個々の共振器の自然状態をシステムの動作周波数から離調し、そして信号又は駆動信号からの電力を使用して、共振器を、それがバンクにおいてアクチベートされるときに適切に同調させることができる。
マルチサイズ共振器のバンクを伴う供給源のシステムのある実施形態では、複数の共振器を１つ以上の電力・制御回路により同時に駆動することができる。システムのある実施形態では、給電される共振器は、無線電力伝達を拡張し又はそれを指令するために位相ずれして駆動される。同相又は位相ずれして或いは相対的位相（単数又は複数）で駆動される複数の共振器の振動磁界間の建設的及び破壊的干渉を使用して、集中磁気エネルギーの特定の「ホットスポット」又はエリアを生成することができる。ある実施形態では、これらホットスポットの位置は、可変であり、動き回るデバイスに対して望ましい無線電力伝達効率を達成するか又は異なる位置、方向、等にデバイスをアドレスするために、動き回ることができる。ある実施形態では、マルチサイズの供給源共振器は、配電及び／又は分配アルゴリズム及び／又はプロトコルを具現化するように調整することができる。
マルチサイズ共振器のバンクのある実施形態では、共振器は、全て、それらのサイズの相違に関わらず実質的に同様のパラメータ及び特性を有する。例えば、共振器は、全て、同様のインピーダンス、共振周波数、品質係数、ワイヤゲージ、巻線間隔、巻回数、電力レベル、等を有する。共振器のプロパティ及び特性は、それらの値の２０％以内である。
マルチサイズ共振器のバンクの他の実施形態では、共振器は、各共振器のサイズに対して調整され又は最適化された同一でないパラメータ及び特性をもつことができる。例えば、ある実施形態では、大きな共振器に対する導体の巻回数は、最も小さい共振器の場合より小さい。同様に、大きな共振器は、共振器から離れたデバイスに給電するよう意図されるので、大きな共振器の非負荷インピーダンスは、共振器に接近したデバイスに給電するよう意図された小さな共振器の場合とは異なるようにして、分離の差による各共振器への有効負荷の差を補償することができる。他の実施形態では、共振器は、異なる又は可変のＱを有し、異なる形状及び厚みを有し、異なる誘導性及び容量性素子並びに異なる導電性材料で構成される。ある実施形態では、可変供給源は、特定の用途に対してカスタム設計される。
他の実施形態では、調整可能なサイズの供給源は、同様のサイズの共振器のアレイ又はグリッドとして実現される。アレイの電力・制御回路は、共振器の有効サイズを変更するために１つ以上の共振器を選択的に駆動することができる。例えば、共振器のグリッドの考えられる構成が図６３に示されている。同様のサイズの共振器６３０１は、グリッドに配列され、１つ以上の電力・制御回路（図示せず）に結合される。アレイの各共振器６３０１を個々に給電することもできるし、多数の共振器を同時に給電することもできる。アレイにおいて、共振器の有効サイズは、給電される共振器の数、位置、及び駆動特性（例えば、駆動信号の位相、位相オフセット、振幅、等）を制御することにより変更することができる。例えば、図６３の共振器のアレイについては、共振器の有効サイズは、アレイのどの個々のユニットに給電するかを切り換えることで制御される。共振器は、１つの共振器のみに給電して、１つの個々の共振器のサイズに等しい有効共振器サイズ６３０４を生じることができる。或いは又、アレイの左上部分の個々の共振器のうちの４つを同時に付勢して、各個々の共振器のサイズのほぼ２倍の有効共振器サイズ６３０３を生成してもよい。又、全ての共振器を同時に付勢して、各個々の共振器の物理的サイズよりほぼ３倍大きい有効共振器サイズ６３０２を生じることができる。
ある実施形態では、個々の共振器のアレイのサイズを任意のサイズにスケーリングすることができる。大きな実施形態では、コスト、配線制約、等のために、各個々の共振器に対して電力・制御回路をもつことは不可能である。クロススイッチのスイッチングバーを使用して、個々の共振器のいずれかを、必要とされるだけの電力・制御回路に接続することができる。
個々の共振器のアレイの実施形態では、個々に付勢される共振器のパターンを変更し又は最適化することができる。有効な共振器の形状は、長方形、三角形、方形、円形、又は任意の形状である。
共振器のアレイの実施形態において、どの共振器を付勢するかは、デバイス共振器と供給源共振器との間の分離又は距離、横方向オフセット、方向、等に依存する。駆動される共振器の数は、例えば、デバイス共振器と供給源共振器との間の距離及び／又は方向、デバイス共振器の数、それらの種々の電力要件、等に依存する。アレイ又はグリッドにおける付勢される共振器の位置は、供給源に対するデバイスの横方向位置に基づいて決定される。例えば、部屋の床又は机の表面をカバーする小さな個々の共振器の大きなアレイでは、付勢される共振器の数は、デバイスと床又は机との間の距離が変化するときに、変化する。同様に、デバイスが部屋又は机を動き回るときに、アレイにおける付勢される共振器の位置が変化する。
別の実施形態では、調整可能なサイズの供給源共振器がマルチサイズ共振器のアレイで実現される。多数の小さな等しいサイズの共振器を配置して、小さな共振器の小さなアッセンブリを形成する。小さなアレイは、大きなサイズの共振器で取り巻かれて、大きなアッセンブリを形成する。大きなアッセンブリは、それ自体、アレイに配列されて、その大きなアレイを取り巻く更に大きな共振器で更に大きなアレイを形成し、更に、それ自体がアレイに配列され、等々となる。この配列では、供給源共振器は、アレイ全体に分布された種々の物理的サイズの共振器を含む。共振器の配列の一例が図６４に示されている。小さな共振器６４０１は、２ｘ２のアレイに配列され、大きな物理的サイズの別の共振器６４０２で取り巻かれて、共振器のアッセンブリを形成する。共振器の個のアッセンブリが２ｘ２のアレイに配列されて、更に大きな物理的サイズの共振器６４０３で取り巻かれる。このパターンを繰り返して、更に大きなアレイを形成することができる。各共振器又は共振器のアッセンブリを繰り返す回数を設定及び最適化することができ、それは、対称的であってもなくてもよい。図６４の例では、各共振器及びアッセンブリは、２ｘ２のアレイで繰り返されるが、他の大きさのアレイも適当である。アレイは、円形、方形、長方形、三角形、ダイヤモンド形、等でよく、又は形状及びサイズの任意の組み合わせでよい。マルチサイズ共振器をアレイで使用することは、複数の共振器を付勢して大きな有効共振器を生じさせる必要がないという点で有益である。この特徴は、供給源の電力・制御回路を簡単化することができる。
ある実施形態において、調整可能な供給源サイズは、磁気材料のコアに容量性負荷の導体を巻き付けたものを有する平面又はコア付き共振器構造体を使用して実現することもでき、その幾つかの例を図１１、１２及び１３に示して、上述した。図６５の（ａ）に示す一実施形態では、調整可能な供給源は、磁気材料のコア６５０１と、異なる導体のループが重畳しないようにコアの周りに巻かれた複数の導体６５０２、６５０３及び６５０４とで実現される。共振器の有効サイズは、異なる数の導体を付勢することにより変更又は調整することができる。多数の隣接導体が同時に駆動又は付勢されるときは、大きな有効共振器を実現することができる。
コア付き共振器を伴う調整可能なサイズの供給源の別の実施形態が図６５の（ｂ）に示されており、磁気材料のコア６５０５に複数の重畳導体６５０６、６５０７、６５０８が巻かれている。これら導体は、その各々が磁気コア６５０５にわたって異なる距離延びるように巻かれる。例えば、図６５の（ｂ）の共振器の場合に、導体６５０８は、コア６５０５の最短距離又は一部分をカバーし、一方、導体６５０７及び６５０６は、各々、長い距離をカバーする。共振器の有効サイズは、異なる導体を付勢することにより調整することができ、磁気コアの最小距離をカバーする導体が付勢されるときに最小有効サイズが生じ、そして磁気コアの最大距離をカバーする導体が付勢されるときに最大有効サイズが生じる。導体の各々は、同様のインダクタンス、インピーダンス、キャパシタンス、等を得るように巻かれる。導体は、全て、同じ長さで、導体の複数のループ間の間隔又は密度を変えることでカバー距離が変更される。ある実施形態では、各導体を等間隔で巻き、従って、巻線ごとに異なる長さの導体が必要となる。他の実施形態では、一定でない又は変化する巻き付け間隔、ゲージ、サイズ、等で、導体の本数及び各導体の巻き付けを更に最適化することができる。
コア付き共振器を伴う調整可能なサイズの供給源の別の実施形態が図６５の（ｃ）に示されており、複数の磁気コア６５０９、６５１０、６５１１は、ギャップが設けられ又はタッチせず、そして複数の導体６５１２、６５１３、６５１４が巻かれる。磁気コア６５０９、６５１０、６５１１の各々は、ギャップ６５１５、６５１６で分離され、そして各磁気コアの周りに導体が巻かれ、ギャップを越えて隣接磁気コアの周りに延びている。ある実施形態では、２つの磁気コア間のギャップをまたがない導体、例えば、図６５の（ｃ）の導体６５１３が使用される。共振器の有効サイズは、コアの周りに巻かれた異なる本数の導体を同時に付勢することにより調整される。磁気コア間のギャップの周りに巻かれた導体を付勢して、１つのコアから別のコアへ磁界を誘導し、共振器の有効サイズを延長することができる。
当業者に明らかなように、図６５に示す方法及び設計は、複数の次元に可変サイズをもつ調整可能なサイズの共振器を可能にする種々の形状及び突出部を有する平面共振器及び磁気コアへと拡張することができる。例えば、図１３のようなコア形状の延長部の周りに複数の共振器を巻いて、２つ以上の次元に可変サイズを有する調整可能なサイズの共振器を可能にする。
ある実施形態において、調整可能なサイズの供給源共振器は、環境におけるデバイス又は物体の構成のための最も有効な供給源サイズを決定する制御・フィードバックシステム、回路、アルゴリズム及びアーキテクチャを備えている。制御・フィードバックシステムは、種々のセンサ、通信チャンネル、測定器、等を使用して、最も有効なソースサイズを決定することができる。ある実施形態では、センサ、測定回路、通信チャンネル、等からのデータは、適当な供給源サイズを選択する種々のアルゴリズムにより処理される。
ある実施形態では、供給源及びデバイスは、無線通信チャンネル、例えば、ブルーツース、ＷｉＦi、近接場通信、或いは最も適当な又は最も効率的な供給源サイズを選択できるようにする情報を通信するのに使用される磁界の変調を含む。デバイスは、例えば、受け取った電力、電流又は電圧を供給源へ通信し、それらは、供給源により、電力伝達効率を決定するために使用される。又、デバイスは、供給源とデバイスとの間の分離距離を計算するのに使用されると共に、供給源の適当なサイズを決定するのにも使用されるその位置又は相対的位置を通信する。
ある実施形態では、供給源は、適当な供給源サイズを決定するために共振器のパラメータ又は電力伝達の特性を測定する。供給源は、多数の電気又は電子センサを使用して、種々の共振器のパラメータ、又は供給源の供給源共振器の種々の構成を決定する。供給源は、各構成、共振器のインピーダンス、抵抗値、共振周波数、電流及び電圧の大きさ及び位相、等、或いは供給源のサイズを監視する。これらのパラメータ又はその変化は、供給源により、最も有効な供給源サイズを決定するのに使用される。例えば、非負荷状態と現在状態との間の最も大きなインピーダンスの差を示す供給源の構成が、システムの状態として最も適当又は最も効率的である。
供給源の動作パラメータ及びサイズは、連続的に、周期的に、又はオンデマンドで変更され、例えば、デバイスによるか又はシステムのオペレータによる要求に応答して変更される。デバイスは、特定の時間インターバル中に、又はデバイスの電力又は電圧がスレッシュホールド値より下がったときに、供給源が最も適した供給源サイズを求めるよう要求し又は促す。
図６６は、１つの考えられるシステム実施形態において、無線電力伝達システムが、デバイス共振器６６０２の幾つかの構成及び方向での動作中に、２つの異なるサイズの共振器６６０１、６６０５より成る調整可能な供給源サイズを使用する際の考えられる仕方を示す。小さな共振器６６０２を伴うデバイスが整列されて接近されたときに、供給源６６０４は、図６６の（ａ）に示すように、小さな共振器６６０５を付勢する。小さな共振器６６０２を伴うデバイス整列されて、更に離れて位置されたときには、供給源６６０４は、図６６の（ｂ）に示すように、大きな共振器６６０１を付勢する。小さな共振器６６０２を伴うデバイスが不整列になったときには、供給源６６０４は、図６６の（ｃ）に示すように、大きな共振器６６０２を付勢する。最終的に、大きな共振器６６０２を伴うデバイスが存在するときには、供給源６６０４は、図６６の（ｄ）に示すように、大きな共振器６６０１を付勢し、電力伝達効率を最大にする。
ある実施形態では、適当な供給源サイズを決定するためのアルゴリズムが、供給源の一部分であるか、供給源に接続されるか又は供給源と通信するプロセッサ、ゲートアレイ又はＡＳＩＣにおいて実行される。ある実施形態では、このアルゴリズムは、考えられる供給源構成又はサイズの全部又はサブセットを順次に付勢し、それら構成の動作特性を測定し、そして最も望ましい特性を伴う供給源サイズを選択することができる。
浸漬された共振器での無線電力伝達
無線電力伝達システムは、１つ、２つ又はそれ以上の共振器が液体、スラリ、泥、塩の溶液、等に浸漬され、損失性及び／又は導電性の材料に埋められ、或いはそれらで取り囲まれたときに、動作するように設計される。ある実施形態では、水中、地中、流れの中、舗装の中、セメントの中、スラリの中、泥の中、混合材料の中、任意の形式の液体又は粘性材料のプールの中、井戸の中、例えば、水井、ガス井、油井、等の中にある１つ以上の共振器間をワイヤレスに伝達される。
無線電力伝達システムは、１つ、２つ又はそれ以上の共振器が液体、スラリ、泥、塩の溶液、等に浸漬され、損失性及び／又は導電性の材料に埋められ、或いはそれらで取り囲まれたときに、動作するように設計される。ある実施形態では、水中、地中、流れの中、舗装の中、セメントの中、スラリの中、泥の中、混合材料の中、任意の形式の液体又は粘性材料のプールの中、井戸の中、例えば、水井、ガス井、油井、等の中にある１つ以上の共振器間をワイヤレスに伝達される。
ある実施形態では、無線電力伝達システムの供給源及び／又はデバイスは、共振器を取り巻く領域内にある損失性又は導電性材料又は物体、特に、共振器の最も近くの材料及び領域における電界の大きさを減少して、望ましいパーターブドＱを得るように設計される。ある実施形態では、磁気共振器の導電性ループ及び電気的コンポーネントに対してある寸法及び位置をもつエンクロージャを使用して、パーターブドＱを、エンクロージャなしの具現化に対して改善することができる。このようなエンクロージャは、電界強度が比較的高い位置と、損失性又は導電性材料が配置された位置との間にスペースを設けることにより、浸漬共振器用途において高いパーターブドＱ共振器をサポートすることができる。例えば、共振器が水、塩水、油、ガス、又は他の損失性材料に浸漬される用途では、共振器の損失性材料と電気的コンポーネントとの間に最小の分離距離を確保するように磁気共振器をパッケージするのが有益である。
共振器のパッケージ、構造、材料、等は、磁気共振器の導電性ループからスペーシング又は「離間」ゾーンを与えるように設計される。ある実施形態では、この離間ゾーンは、共振器の周りでミリメータより小さい。他の実施形態では、この離間ゾーンは、共振器の周りで１ｃｍより小さく又は１０ｃｍより小さい。ある実施形態では、離間ゾーンのサイズは、伝達される電力のレベル、周囲の材料の損失性、共振器の動作周波数、共振器のサイズ、等に基づく。ある実施形態では、離間ゾーンのサイズは、その用途の物理的な制約により限定され、そして離間ゾーンは、その離間ゾーンの外側の損失性材料による共振器のパーターブドＱが共振器の非パーターブドＱの少なくとも５０％となるように設計される。又、ある実施形態では、離間ゾーンは、共振器のパーターブドＱが非パーターブドＱの１％より大きくなるように設計される。
ある実施形態では、共振器の周りの離間ゾーンは、共振器を取り巻くパッケージにより与えられ、そして共振器の電力・制御回路も取り巻く。このパッケージは、非損失性材料、例えば、あるプラスチック、複合物、プラスチック複合物、テフロン、Rexolite、ＡＢＳ、セラミック、石、等から構成されるのが好ましい。共振器及び回路は、このようなパッケージに収容されてもよいし、或いはパッケージが、そのパッケージ内の離間ゾーンを埋める別の非損失性材料で外部バリアを与えてもよい。或いは又、パッケージ内の離間ゾーンは、真空、空気、ガス、砂、等を含んでもよい。ある実施形態では、離間ゾーンは、共振器又は回路のコンポーネントにより設けられてもよい。ある実施形態では、共振器及び回路の素子は、ある用途に充分な離間ゾーンを与えることができ、又は充分に大きな離間ゾーンを自然に与えるように共振器のコンポーネントを選択することができる。例えば、ある用途では、共振器の導体に対する電気絶縁材が適当な離間ゾーンを与え、付加的な分離を要求しない。共振器の周りに離間ゾーン６７１０を与えるパッケージ６７０２を伴う共振器６７０４が図６７に示されている。共振器６７０４は、図６７の（ａ）に示すように、分離及び離間ゾーンを与えるエンクロージャ６７０２により完全に取り巻かれる。他の実施形態では、パッケージ６７０２は、図６７の（ｂ）に示すように、共振器の内縁及び外縁の周りに離間ゾーンを与えるように、共振器６７０４を取り巻き、その形状をたどる。
図６８に示す規範的実施形態では、離間ゾーン追加の効果を示すための限定素子分析において、抵抗率ρ＝０．２Ωｍの媒体６８０８に浸漬されそして長い寸法の１つに沿って１ｃｍの等間隔で巻かれた１０巻回の導体６８０６により１００ｋＨｚで励起される１５ｃｍｘ１５ｃｍｘ５ｍｍの磁気材料スラブ６８０４がモデリングされた。離間ゾーンがないときには、損失性媒体によるパータービングＱが６６であった。磁気材料の各面から１ｃｍ延びる平行六面体のような形状の離間ゾーン６８０２を追加すると、パータービングＱは、８６に上昇した。磁気材料６８０４と離間ゾーン６８０２の縁との間の最短距離が２．５ｃｍに増加すると、パータービングＱは、１１９と計算され、そしてこの距離が１０ｃｍに増加すると、パータービングＱは、３１８に改善された。
ある実施形態では、離間ゾーンは、共振器の周りに均一な離間ゾーンを与えず、非均一であって、且つ例えば、キャパシタの近く、又は導体巻線の近く、又は共振器の隅の近くの、大きな外部電界を有する共振器のエリアにおいて、大きいか又は厚いものである。これは、上述した実施例を拡張すると共に、構造体の磁気モーメントを横断する方向に沿って電界が最も大きいという事実を利用することで例示することができる。図６９に示すように、共振器の磁気モーメントに沿った離間ゾーンが１０ｃｍから１ｃｍに減少される一方、他の全ての方向に沿った離間ゾーンが１０ｃｍに保持される場合には、パータービングＱは、３１８から２５５に減少されるが、共振器及び離間ゾーン６８０２により占有される体積は、離間ゾーンが共振器の全周で１０ｃｍである場合に比して５１％より大きく減少される。
ある実施形態では、無線電力伝達システムの共振周波数は、システムのパーターブドＱを改善するように選択される。例えば、規範的な共振器の固有のＱが高い周波数において改善しても、パーターブドＱは、高い周波数において減少することがある。それ故、規範的な実施形態では、最大の固有のＱに対応する周波数より低い動作周波数を選択するのが好ましい。ある実施形態では、この動作周波数は、最適なＱの周波数より２ないし１０倍も低く選択される。他の実施形態では、この動作周波数は、最適なＱの周波数より１０ないし１００倍も低く選択される。更に別の実施形態では、この動作周波数は、最適なＱの周波数より１００ないし１００００倍も低く選択される。ある実施形態では、この動作周波数は、１００ｋＨｚないし５００ｋＨｚである。他の実施形態では、この動作周波数は、１０ｋＨｚないし１００ｋＨｚに選択される。更に別の実施形態では、この動作周波数は、５００ｋＨｚないし３０ＭＨｚである。
ある規範的な実施形態では、パーターブドＱに対する共振器及びエンクロージャ設計の影響を示すために、ループ半径が１５ｃｍで、共振周波数が１００ｋＨｚで、抵抗率ρ＝３０Ωｍの流体で取り囲まれた容量性負荷の導電性ループ共振器がモデリングされた。このモデリングされた実施形態が図６７の（ａ）に示されている。容量性負荷の導電性ループ６７０４が、空気６７０８が充填されたボックス６７０２で包囲される。図６７の（ａ）の導電性ループ又はコイル６７０４の外縁とエンクロージャ６７０２の外縁との間のスペーシングは、離間ゾーンである。このスペーシング６７０８には、空気が充填されてもよく、エンクロージャの材料それ自体が充填されてもよく、及び／又は好ましくは、非損失性材料、例えば、プラスチック、複合物、プラスチック、プラスチック複合物、セラミック、石、空気、ガス、砂、等が充填されてもよい。ある実施形態では、エンクロージャ材料の損失正接は、共振器のＱを摂動しないほど充分に低い。ある実施形態では、材料の損失正接は、共振器がそれを取り巻く材料に直接浸漬されたときのパーターブドＱに対して包囲された共振器のパーターブドＱを改善するほど充分に低い。
図６７の（ａ）に示す規範的なシステムの場合、共振器の固有のＱは、共振器コイルの巻回数が増加するにつれて高くなった。しかしながら、共振器のパーターブドＱは、巻回数が増加するにつれて下がった。パーターブドＱは、コイル６７０４の縁とエンクロージャ６７０２の縁との間の離間ゾーン６７１０のサイズを増加することにより高くすることができた。この規範的な実施形態では、４巻回の共振器のパーターブドＱは、離間ゾーンが１ｃｍより大きい場合に２倍以上に改善され、スペーシングが約２．５ｃｍを越えたときにその固有Ｑに到達した。それ故、離間ゾーンが１ｃｍより大きいエンクロージャは、供給源共振器及びデバイス共振器が損失性材料に浸漬されるか又はその付近にあるときでも、効率的な無線電力伝達を可能にする。
共振器の少なくとも１つが空気以外のある材料に浸漬されるような無線電力伝達の幾つかの用途が、直接配線解決策を使用して現在可能となっている。例えば、池の底に沿って、建築材料を通して、井戸の縦穴を下がって、ボートの船体を通して、等々で、電気ワイヤを延ばすことができる。しかしながら、これらのワイヤ、及び配線の異なるセグメントにわたり電気的な連続性を与えるために使用されるコネクタは、故障の傾向があり、高価である上に、故障時に交換が困難である。加えて、それらは、設置プロセスにおいて位置及び回転が不確実であり且つそのプロセスが共振器を支持する構造の完全性を危うくするので、設置が困難又は不可能である。これらの用途では、無線電力伝達が効果的である。というのは、エネルギー供給源と、エネルギー消費デバイス又は接続部との間にギャップを受け容れることができ、これにより、そのような配線又はコネクタが応力を受け、危険であり、又は故障の傾向のある場所での配線又は電気コネクタの必要性を排除するからである。
図７０は、水中センサ用途のための無線電力伝達システムの規範的実施形態を示す。この実施例では、無線電力供給源７００８は、管７００２を取り巻く環状ハウジング７００４に収容され、その管は、遠隔発電機からその供給源へ電力を供給するのに使用される配線であって、供給源共振器７００８を水中センサ７０１０の一般的付近に誘導するのにも使用される配線を収容する。この管７００２は、スチール、プラスチック、ゴム、金属、等を含む種々の材料から作られ、種々の電子コンポーネント、強化部材、チューブ、バルブ、コンジット、等を収容する。供給源７００８は、センサ７０１０に結合されるデバイス共振器７０１２へ電力をワイヤレスで伝達するのに使用される。ある実施形態では、複数のセンサを異なる位置及び深さに配置することができると共に、複数のセンサを同時に又は一度に１つアドレスするように無線電力供給源７００８を柔軟に位置付けることができる。
図７１は、容量性負荷の導電性ループ供給源共振器の２つの規範的な実施形態を示し、その１つは、回転対象エンクロージャ７００４に位置された磁気材料を含む（図７１の（ｂ））。図７１の（ｂ）に示す実施形態において、これら共振器の双極子モーメントは、磁気材料のコア７１０８の周りに巻かれた導体ループ７１０６の方向に基づいて、ｚ軸として定義される管に平行に（即ち、共振器７１０４）、或いはｘ軸又はｙ軸に平行に（即ち、各々、共振器７１０２、７１１０）整列される。この規範的実施形態では、同様のサイズの供給源共振器及びデバイス共振器がｚ方向の双極子モーメントを有しそしてそれら共振器が整列されるときに最高のエネルギー伝達効率が実現される。しかしながら、この双極子の方向では、図７２に示すように、効率は、これら共振器の比較的小さな並進移動不整列においてゼロを通して変化した後、回復し、そして大きなオフセットで減衰する。両共振器がｙ方向である場合には、最大結合効率が、ｚ方向の双極子ほど高くなく、伝達効率は、両共振器が相対的に遠く離れたときだけゼロになる。直交方向に巻かれた容量性負荷の導電性ループを含み、そして図１２に示すようにｚ方向及びｙ方向の両双極子を有するものとしてモデリングできる共振器は、ある範囲の動作シナリオにわたって最高の伝達効率を生じ得る。ある実施形態では、直交するループを同時に使用することもできるし、或いはセレクタ又はスイッチを使用して、ｙ方向及びｚ方向双極子の共振器間を選択して最適な性能を得ることもできる。システムの種々の事柄が、供給源共振器及びデバイス共振器によりどの形式の共振器を構成するかに影響することに注意されたい。
供給源共振器又はデバイス共振器が設置され、位置付けされ又はアクチベートされるときには、デバイス共振器に対する供給源共振器のオフセット及び回転に不確実性が生じることがある。例示的な位置及び回転不確実性が図７３（ａ）及び７３（ｂ）に示されている。供給源共振器７００８及びデバイス共振器７０１２は、図７３の（ａ）に示すように回転不整列があり、或いは図７３の（ｂ）に示すように横方向又は縦方向不整列がある。単一共振器設計では、共振器の不整列は、電力伝達効率を下げることがある。ある実施形態では、供給源及びデバイス共振器のサイズ及び材料と、それらの物理的な大きさに対する双極子モーメントの整列は、充分に効率的なエネルギー伝達が実現される位置及び回転不整列の範囲を最大にするように選択される。
他の実施形態では、位置及び回転の不確実性に関連した潜在的に低い効率は、受け容れられない。他の実施形態では、多数の供給源共振器をハウジングに組み込んで、それらの供給源共振器の少なくとも１つがデバイス共振器に充分に接近して配置されて充分な性能を発揮する確率を高めることができる。そのような供給源アレイの規範的具現化が図７１に示されている。複数の共振器が環状ハウジング７００４に円形形態で配列され、共振器がハウジングの周りに数度ごとに配置されて、回転の不確実さに関わらず少なくとも１つの供給源及びデバイスが部分的に整列するようにしている。加えて、共振器の複数の円形配列は、共振器アレイの垂直高さを増加するように結合することができる。供給源の垂直高さの増加は、（ｚ軸に沿った）垂直不整列を許容するシステムの能力を高める。ある実施形態では、環状ハウジングの外半径を増加して、（ｙ軸に沿った）水平不整列を許容するシステムの能力を高めることができる。種々の供給源共振器設計及びアレイパターンを使用して、この概念を具現化できることに注意されたい。ここに示すアレイパターンは、何らそれに限定されるものではない。アレイは、容量性負荷ループ共振器（図７１の（ａ））を含む。又、アレイは、平面共振器を含んでもよい。ある実施例では、磁気材料のコアの周りに巻かれた導体を含む平面共振器が使用される。平面共振器のアレイでは、図７１の（ｂ）に示す異なる共振器に対して、ある共振器の導体を直交方向に巻くことができる。
加えて、共振器を収容するエンクロージャは、任意の形状及びサイズでよく、又、用途に特定のものでよい。ある用途では、エンクロージャは、立方体、長方形ボックス、球、ボール、円筒、シート、等の形状でよく、そして中空、内実でよく、或いはそれらの中心に異なる材料を含んでもよい。ある実施形態では、一次ハウジング及びアレイの設計上の事柄は、ハウジングの長さ、サイズ、見掛け、操向性、制御性、水、風、又はアース抵抗、等である。
ある実施形態では、複数の供給源共振器をスイッチで接続し、供給源共振器が設置又は配置された後に、１つ又は幾つかの供給源共振器だけを付勢して、無線電力伝達を達成することができる。ここで述べたシステム監視及び制御能力は、どの供給源共振器を付勢しそして無線電力伝達システムに含ませるか決定するように使用できる。ある実施形態では、未使用の共振器のＱを無効にするか又は減少して、それら共振器と付勢される共振器との間の相互作用を最小にすることができる。共振器のＱは、リモート制御可能なスイッチ、ヒューズ、コネクタ、等により変更することができる。
供給源共振器について上述した設計は、デバイス共振器にも適用できることに注意されたい。
ある実施形態では、無線電力伝達のための種々の共振器設計を選択することができる。規範的な井戸掘り用途では、供給源共振器及びデバイス共振器は、図６８に示すように、エアコアを伴うか又は磁気材料より成るコアを伴う容量性負荷の導電性ループを備えている。共振器は、スチール又は金属管、構造物、計器、ケーシング、等の影響を減少するように共振器の場を向け直し及び／又はガイドするための導電性表面を含む。この導電性表面及び磁気材料は、ある井戸構造物の形状をたどるように整形され、例えば、井戸の中心を駆け上がる円形管及びケースに合致するように外方に曲げられる。ある実施形態では、金属又はスチールで作られた構造物に最も近い磁気材料の表面は、損失性構造物における渦電流による損失を減少するために高導電率材料の層を含む。この導電性材料の形状及びサイズは、磁気材料のものと同じでもよいし、異なってもよい。ある実施形態では、導電層は、磁気材料の表面に適合するか、エンクロージャの内面に適合するか、又はエンクロージャに組み込まれた特徴部に適合する。ある実施形態では、導電層は、磁気材料に取り付けられてもよいし、そこから分離されてもよい。ある実施形態では、場の整形を使用して、共振器の場を損失性材料又は構造物から離れるように向け、及び／又は共振器の場を電力伝達システムの他の共振器に向け又はガイドしてもよい。ある実施形態では、図１１−１４及び図１６に示すように、磁気材料の周りに巻かれた容量性負荷の導電性ループが、井戸の主たる穴から横方向の穴へ電力を伝達するために選択されてもよい。
浸漬共振器用途のための無線伝達システムは、ここに述べた共振器、エンクロージャ、アレイ、電子装置、監視及び制御方法を組み合わせて備えてもよいことに注意されたい。ある実施形態では、無線電力伝達システムに対して選択された利用可能な共振器のサブセットと共に、デバイス共振器もアレイに設置することができる。
本発明は、特定の好適な実施形態に関連して説明したが、他の実施形態は、当業者により理解され、本発明の範囲内に入ることが意図され、法律によって許容可能な最も広い意味で解釈されるべきである。
ここに参照した全文献は、参考としてここに援用される。
１０２Ｓ：供給源共振器
１０２Ｄ：デバイス共振器
１０４：キャパシタ
１０８：インダクタ
１１０：キャパシタプレート
１１４：マルチループ導体
１１２１：コア
１１２２：導電性材料のループ
１１３１：平面コア
１１３２：コア材料
１２０１、１２０２：導体
１２０３：平面長方形コア
１３１０：内部構造体
１３０１、１３０２、１３０３、１３０４：導体
１３０５、１３０６、１３０７、１３０８：延長部
１３０９：ループコイル
１３１０：平面共振器構造体
１４１１：平坦な供給源
１４１４、１４１５、１４１６：平面共振器
１４１７：活性領域
１５２１：平面供給源
１５２２：携帯電話器
１５２３：他の電子装置
１５２４：コンピュータ
１５２５：表面
５２０１：下部ビア
５７０１、５７０２：撚り線型トレース
５９０１：デバイス共振器
５９０２：供給源共振器
５９０３：軸
６００１：デバイス共振器
６００２：供給源共振器
６００６、６００５：中心軸
６００８：横方向オフセット
６１０１、６１０２、６１０３：共振器
６２０１、６２０２、６２０３：付加的な回路
６２０４：電力・制御回路
６５０１：磁気材料のコア
６５０２、６５０３、６５０４：導体
６５０６、６５０７、６５０８：重畳導体
６５０９、６５１０、６５１１：磁気コア
６５１２、６５１３、６５１４：導体
６５１５、６５１６：ギャップ
６６０１、６６０２：大きな共振器
６６０２、６６０５：小さな共振器
６６０４：供給源
６７０２：パッケージ
６７０４：共振器
６７１０：離間ゾーン
６８０２：離間ゾーン
６８０４：磁気材料スラブ
６８０６：１０巻回の導体
６８０８：媒体
７００２：管
７００４：環状ハウジング
７００８：供給源共振器
７０１０：センサ
７０１２：デバイス共振器
１０２Ｄ：デバイス共振器
１０４：キャパシタ
１０８：インダクタ
１１０：キャパシタプレート
１１４：マルチループ導体
１１２１：コア
１１２２：導電性材料のループ
１１３１：平面コア
１１３２：コア材料
１２０１、１２０２：導体
１２０３：平面長方形コア
１３１０：内部構造体
１３０１、１３０２、１３０３、１３０４：導体
１３０５、１３０６、１３０７、１３０８：延長部
１３０９：ループコイル
１３１０：平面共振器構造体
１４１１：平坦な供給源
１４１４、１４１５、１４１６：平面共振器
１４１７：活性領域
１５２１：平面供給源
１５２２：携帯電話器
１５２３：他の電子装置
１５２４：コンピュータ
１５２５：表面
５２０１：下部ビア
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５９０１：デバイス共振器
５９０２：供給源共振器
５９０３：軸
６００１：デバイス共振器
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６００６、６００５：中心軸
６００８：横方向オフセット
６１０１、６１０２、６１０３：共振器
６２０１、６２０２、６２０３：付加的な回路
６２０４：電力・制御回路
６５０１：磁気材料のコア
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６５０６、６５０７、６５０８：重畳導体
６５０９、６５１０、６５１１：磁気コア
６５１２、６５１３、６５１４：導体
６５１５、６５１６：ギャップ
６６０１、６６０２：大きな共振器
６６０２、６６０５：小さな共振器
６６０４：供給源
６７０２：パッケージ
６７０４：共振器
６７１０：離間ゾーン
６８０２：離間ゾーン
６８０４：磁気材料スラブ
６８０６：１０巻回の導体
６８０８：媒体
７００２：管
７００４：環状ハウジング
７００８：供給源共振器
７０１０：センサ
７０１２：デバイス共振器
Claims (33)
- 電源に結合されて振動磁界を発生するように構成された容量性負荷の導電性ループを含む少なくとも１つの供給源磁気共振器と、
前記供給源共振器から離れており、前記振動磁界を電気的エネルギーへ変換するように構成された容量性負荷の導電性ループを含む少なくとも１つのデバイス共振器と、
を備え、少なくとも１つの前記共振器は、その共振器の周りに、その共振器を非損失性材料の層で取り巻く離間ゾーンを有する、無線電力伝達システム。 - 前記離間ゾーンは、前記共振器の周りで対称的な距離に延びる、請求項１に記載のシステム。
- 前記離間ゾーンは、前記共振器の周りで非対称的な距離に延びる、請求項１に記載のシステム。
- 前記離間ゾーンは、電界が最も大きな前記共振器の領域の周りで最大となる、請求項３に記載のシステム。
- 最小の離間ゾーンは、０．２５ｍｍを越える、請求項１に記載のシステム。
- 最小の離間ゾーンは、１ｃｍを越える、請求項１に記載のシステム。
- 最小の離間ゾーンは、１０ｃｍを越える、請求項１に記載のシステム。
- 最小の離間ゾーンは、前記共振器の特性サイズの約１．０％である、請求項１に記載のシステム。
- 最小の離間ゾーンは、前記共振器の特性サイズの約０．１％である、請求項１に記載のシステム。
- 前記磁気共振器は、更に、磁気材料で構成される、請求項１に記載のシステム。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、固有のＱが１００より大きい、請求項１に記載のシステム。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、水に浸漬される、請求項１０に記載のシステム。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、油に浸漬される、請求項１０に記載のシステム。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、土材料に浸漬される、請求項１０に記載のシステム。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、井戸に配置される、請求項１０に記載のシステム。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、生物の体内に配置される、請求項１０に記載のシステム。
- 振動磁界を発生するように容量性負荷の導電性ループを含む少なくとも１つの供給源磁気共振器を付勢する段階と、
前記供給源共振器から離れており、前記振動磁界を電気的エネルギーへ変換するように構成された容量性負荷の導電性ループを含む少なくとも１つのデバイス磁気共振器を準備する段階と、
少なくとも１つの共振器の周りに離間ゾーンを維持して、その共振器と環境の損失性材料との間に分離距離を維持する段階と、
を備えた無線電力伝達方法。 - 前記離間ゾーンは、前記共振器の周りで対称的な距離に延びる、請求項１７に記載の方法。
- 前記離間ゾーンは、前記共振器の周りで非対称的な距離に延びる、請求項１７に記載の方法。
- 最小の離間ゾーンは、０．２５ｍｍを越える、請求項１７に記載の方法。
- 最小の離間ゾーンは、１ｃｍを越える、請求項１７に記載の方法。
- 最小の離間ゾーンは、１０ｃｍを越える、請求項１７に記載の方法。
- 最小の離間ゾーンは、前記共振器の特性サイズの約１．０％である、請求項１７に記載の方法。
- 最小の離間ゾーンは、前記共振器の特性サイズの約０．１％である、請求項１７に記載の方法。
- 前記磁気共振器は、更に、磁気材料で構成される、請求項１７に記載の方法。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、固有のＱが１００より大きい、請求項１７に記載の方法。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、水に浸漬される、請求項２６に記載の方法。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、油に浸漬される、請求項２６に記載の方法。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、土材料に浸漬される、請求項２６に記載の方法。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、井戸に配置される、請求項２６に記載の方法。
- 少なくとも１つの磁気共振器は、生物の体内に配置される、請求項２６に記載の方法。
- 縦坑内で無線電力伝達する供給源において、
磁気材料のコアの周りに巻かれ、電源に結合され、そして振動磁界を発生するように構成された容量性負荷の導電性ループを備え、
前記導電性ループは、前記縦坑の長さと同軸的であるように方向付けされる、供給源。 - 更に、磁気材料のコアに周りに巻かれた複数の容量性負荷の導電性ループが前記縦坑の直径の周りに配列された、請求項３２に記載の供給源。
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