JP2013537029A - 適応型共振電力送信装置 - Google Patents

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Abstract

無線で送信される電力量を適応的に調整する装置及び方法を提供する。一実施形態において、適応型共振電力送信装置は、共振電力受信装置に共振電力を送信するソース共振器と、電力増幅器のインピーダンスを所定のインピーダンスに整合させる整合ネットワークを含み、共振電力受信装置の要求電力レベルにソース電力を増幅する電力増幅器と、要求電力レベルに基づいて整合ネットワークのインピーダンスをソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させる適応的整合器と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、無線電力送信に関する。
無線電力送信に対する研究は、携帯機器を含む様々な機器の爆発的な増加による有線電力供給の不便さの増加及び既存のバッテリ容量の限界への直面などを克服するために始まった。無線電力送信技術の１つはＲＦ素子の共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を用いる。例えば、共振特性を用いる無線電力伝送システムは電力を供給するソースと電力を供給されるターゲットを含む。電力を供給するソースは電力増幅器を含む。電力増幅器は、ターゲットで要求される電力に対応してソース電力を増幅する。ターゲットで要求される電力レベルが変化する場合、電力増幅器は電力レベルに対応して電力を増幅しなければならない。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、共振電力受信装置で要求される電力レベルの変化に対応して共振電力を送信する適応型共振電力送信装置及び適応型共振電力送信方法を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による適応型共振電力送信装置は、共振電力受信装置に共振電力を送信するソース共振器と、電力増幅器のインピーダンスを所定のインピーダンスに整合させる整合ネットワークを含み、前記共振電力受信装置の要求電力レベルにソース電力を増幅する電力増幅器と、前記要求電力レベルに基づいて前記整合ネットワークのインピーダンスを前記ソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させる適応的整合器と、を備える。
前記適応的整合器は、予め設定された範囲で線形的なインピーダンス値を有するオフセットラインを含み得る。
前記適応的整合器は、予め設定された範囲で線形的なインピーダンス値を有するように少なくとも１つのインダクター及び少なくとも１つのキャパシタを備えた整合回路を含み得る。
前記適応的整合器は、前記整合ネットワークのインピーダンスを前記ソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させるための位相を決定する位相決定部を含み得る。
前記適応型共振電力送信装置は、前記共振電力受信装置から前記要求電力レベルに関する情報を含む信号を検出する検出器を更に備えることができる。
前記検出器は、前記ソース共振器と前記共振電力受信装置のターゲット共振器との間の距離、前記ソース共振器から前記ターゲット共振器に送信される波動の反射係数、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の電力送信利得、及び前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間のカップリング効率のうちの少なくとも１つを検出し得る。
前記適応型共振電力送信装置は、交流（ＡＣ）エネルギーを直流（ＤＣ）エネルギーに変換する交流−直流（ＡＣ−ＤＣ）コンバータと、前記直流エネルギーに基づいて共振周波数を有する電流を生成する周波数生成器と、を更に備えることができる。
前記ソース共振器は、第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、該第１信号導体部分及び該第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分とを含む伝送線路と、前記第１信号導体部分を前記グラウンド導体部分に電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分を前記グラウンド導体部分に電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を含み得る。
前記ソース共振器は、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置して該ソース共振器のインピーダンスを決定する整合器を更に含み得る。
前記ソース共振器は、磁気結合によって前記共振電力受信装置に共振電力を送信し得る。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による適応型共振電力送信方法は、共振電力受信装置に共振電力を送信するステップと、電力増幅器によってソース電力を前記共振電力受信装置の要求電力レベルに増幅するステップと、整合ネットワークによって前記電力増幅器のインピーダンスを所定のインピーダンスに整合するステップと、前記要求電力レベルに基づいて前記整合ネットワークのインピーダンスを前記ソース共振器のインピーダンスに適応的に整合するステップと、を有する。
前記適応的に整合するステップは、予め設定された範囲で線形的にインピーダンス値を設定するステップを含み得る。
前記適応的に整合するステップは、前記整合ネットワークのインピーダンスを、前記共振電力を送信するソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させるための位相を決定するステップを含み得る。
前記適応型共振電力送信方法は、前記共振電力受信装置から前記要求電力レベルに関する情報を含む信号を検出するステップを更に含むことができる。
前記検出するステップは、ソース共振器と前記共振電力受信装置のターゲット共振器との間の距離、前記ソース共振器から前記ターゲット共振器に送信される波動の反射係数、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の電力送信利得、及び前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間のカップリング効率のうちの少なくとも１つを検出するステップを含み得る。
本発明によれば、無線電力伝送システムにおいて、適応型共振電力送信装置を用いることによって、共振電力受信装置で要求される電力レベルの変化に対応して適応型共振電力送信装置のインピーダンスを適応的に整合することができる。
また、一般的に用いられる電力増幅器にオフセットラインを用いることによって、別途の制御回路なしに、共振電力受信装置で要求される電力レベルの変化に対応してインピーダンスを整合することができる。
また、適応型共振電力送信装置を用いることによって、適応型共振電力送信装置の出力電力を制御するための別途の制御回路なしに、共振電力受信装置で要求される電力レベルの変化に対応して共振電力を送信することができる。
また、共振電力送信装置と共振電力受信装置との間に別途の通信がなくても、共振電力受信装置で要求される電力レベルの変化に対応して共振電力送信装置のインピーダンス特性を変化させることによって、適応型共振電力送信装置が共振電力を送信することができる。
無線電力伝送システムを示す図である。 従来の共振電力送信装置における電力増幅器の動作負荷を示す図である。 図２の共振電力送信装置で整合回路を用いる場合のスミスチャートの一例を示す図である。 適応型共振電力送信装置を示すブロック図である。 オフセットラインの等価回路を示す図である。 整合回路を用いる場合のスミスチャートの一例を示す図である。 オフセットライン及び等価回路の特性を示す図である。 適応型共振電力送信装置における電力増幅器の出力レベル及び効率を示す図である。 適応型共振電力送信装置における電力増幅器の出力レベル及び効率を示す図である。 ２次元（２Ｄ）構造の共振器を示す図である。 ３次元（３Ｄ）構造の共振器を示す図である。 ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅとして設計された無線電力送信のための共振器を示す図である。 Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅとして設計された無線電力送信のための共振器を示す図である。 ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ形態を適用した無線電力送信のための共振器を示す図である。 分布定数キャパシタを含む無線電力送信のための共振器を示す図である。 図９の共振器に用いられる整合器を示す図である。 図１０の共振器に用いられる整合器を示す図である。 図９の無線電力送信のための共振器の等価回路を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、無線電力伝送システムを示す図である。
実施形態として、無線電力伝送システムによって送信される無線電力は共振電力（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｏｗｅｒ）と仮定する。
図示したように、無線電力伝送システムは、ソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造である。例えば、無線電力伝送システムは、ソースに該当する共振電力送信装置１１０とターゲットに該当する共振電力受信装置１２０を備える。
共振電力送信装置１１０は、例えば外部の電圧供給源からエネルギーを受信して共振電力を発生させるソース部１１１及びソース共振器１１５を備える。共振電力送信装置１１０は、例えば共振周波数又はインピーダンス整合を行う整合制御部（Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ）１１３を更に備える。
ソース部１１１は、外部装置から入力された交流信号の信号レベルを所望するレベルに調整するＡＣ−ＡＣコンバータ、ＡＣ−ＡＣコンバータから出力された交流信号を整流することによって所定のレベルのＤＣ電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータから出力されたＤＣ電圧を高速スイッチングすることによって数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ帯域のＡＣ信号を生成するＤＣ−ＡＣインバーターを含む。また、他のＡＣ電圧周波数を他の例に使用してもよい。
整合制御部１１３は、ソース共振器１１５の共振帯域幅（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）及び／又はソース共振器１１５のインピーダンス整合周波数を設定する。一実施形態において、整合制御部１１３は、ソース共振帯域幅設定部（図示せず）及びソース整合周波数設定部（図示せず）のうちの少なくとも１つを備える。ソース共振帯域幅設定部は、ソース共振器１１５の共振帯域幅を設定する。ソース整合周波数設定部は、ソース共振器１１５のインピーダンス整合周波数を設定する。例えば、ソース共振器１１５の共振帯域幅又はソース共振器１１５のインピーダンス整合周波数設定に応じて、ソース共振器１１５のＱ−ファクターが決定される。
ソース共振器１１５は、電磁気エネルギーをターゲット共振器１２１に伝送する。例えば、ソース共振器１１５は、ターゲット共振器１２１との磁気結合（マグネチックカップリング）１０１によって共振電力を共振電力受信装置１２０に伝送する。これにより、ソース共振器１１５は、設定された共振帯域幅内で共振する。
図示したように、共振電力受信装置１２０は、ターゲット共振器１２１、共振周波数及び／又はインピーダンス整合を行う整合制御部１２３、及び受信した共振電力をデバイス又は負荷に伝送するためのターゲット部１２５を備える。
ターゲット共振器１２１は、ソース共振器１１５から電磁気エネルギーを受信する。ターゲット共振器１２１は、設定された共振帯域幅内で共振する。
整合制御部１２３は、ターゲット共振器１２１の共振帯域幅及びターゲット共振器１２１のインピーダンス整合周波数のうちの少なくとも１つを設定する。一実施形態において、整合制御部１２３は、ターゲット共振帯域幅設定部（図示せず）及びターゲット整合周波数設定部（図示せず）のうちの少なくとも１つを備える。ターゲット共振帯域幅設定部は、ターゲット共振器１２１の共振帯域幅を設定する。ターゲット整合周波数設定部は、ターゲット共振器１２１のインピーダンス整合周波数を設定する。例えば、ターゲット共振器１２１の共振帯域幅又はターゲット共振器１２１のインピーダンス整合周波数設定に応じて、ターゲット共振器１２１のＱ−ファクターが決定される。
ターゲット部１２５は、受信した共振電力を負荷に伝達する。ターゲット部１２５は、例えばソース共振器１１５からターゲット共振器１２１に送信されたＡＣ信号を整流してＤＣ信号を生成するＡＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ信号の信号レベルを調整して定格電圧をデバイス又は負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータを含む。
ソース共振器１１５及びターゲット共振器１２１は、例えばヘリックス（ｈｅｌｉｘ）コイル構造の共振器、スパイラル（ｓｐｉｒａｌ）コイル構造の共振器、又はｍｅｔａ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ共振器等で構成される。
図１を参照すると、Ｑファクターの制御過程は、ソース共振器１１５の共振帯域幅及びターゲット共振器１２１の共振帯域幅を設定し、ソース共振器１１５とターゲット共振器１２１との間の磁気結合（マグネチックカップリング）１０１によって電磁気エネルギーをソース共振器１１５からターゲット共振器１２１に伝達することを含む。例えば、ソース共振器１１５の共振帯域幅は、ターゲット共振器１２１の共振帯域幅よりも広いか又は狭く設定される。例えば、ソース共振器１１５の共振帯域幅をターゲット共振器１２１の共振帯域幅より広くするか又は狭く設定することによって、ソース共振器１１５のＢＷ−ファクターとターゲット共振器１２１のＢＷ−ファクターとの間で不平衡（ｕｎｂａｌａｎｃｅ）の関係を維持する。
共振方式の無線電力送信において、共振帯域幅は重要なファクターである。ソース共振器１１５とターゲット共振器１２１との間の距離変化、共振インピーダンスの変化、インピーダンスミスマッチング、反射信号などを全て考慮したＱ−ファクターをＱｔとする場合、Ｑｔは数式（１）のように共振帯域幅と反比例関係を有する。
Figure 2013537029
数式１において、ｆ０は中心周波数、
｛記２６−１｝
Figure 2013537029
は帯域幅の変化、
｛記２６−２｝
Figure 2013537029
はソース共振器１１５とターゲット共振器１２１との間の反射損失、ＢＷＳはソース共振器１１５の共振帯域幅、ＢＷＤはターゲット共振器１２１の共振帯域幅を示す。本明細書において、ＢＷ−ファクターは１／ＢＷＳ又は１／ＢＷＤを意味する。
例えば、ソース共振器１１５とターゲット共振器１２１との間の距離の変化、ソース共振器１１５及びターゲット共振器１２１のうちの１つの位置の変化などの外部の影響によって、ソース共振器１１５とターゲット共振器１２１との間のインピーダンスミスマッチングが発生する。インピーダンスミスマッチングは、電力伝送の効率を減少させる直接的な原因になる。整合制御部１１３は、送信信号の一部が反射して戻ってくる反射波を検出することによって、インピーダンスミスマッチングが発生したと判断し、インピーダンス整合を行う。例えば、整合制御部１１３は、反射波の波形分析により共振ポイントを検出することで共振周波数を変更する。整合制御部１１３は、反射波の波形で振幅が最小である周波数を共振周波数として決定する。
図２は、従来の共振電力送信装置における電力増幅器の動作負荷を示す図である。
ソース共振器は、第１ターゲット共振器及び第２ターゲット共振器の磁気結合（マグネチックカップリング）によって共振電力を送信する。ここで、電力増幅器は、整合ネットワークを含む。整合ネットワークは、電力増幅器が基準負荷特性（例えば、５０オーム）に適合して作動するように設計される。
より具体的に、ソース共振器の前端で見える負荷特性が５０オームである場合、整合ネットワークは、電力増幅器が最も効率的に作動できるように設計される。ソース共振器の前端で見える負荷特性が５０オームではない場合、別途の制御部によって５０オームになるように調整することで、電力増幅器が効率的に作動する。例えば、電力増幅器は、ソース共振器の負荷特性が変化する場合に効率よく作動するために、別途の制御部が必要である。
例えば、ソース共振器が第１無線電力受信部の制御信号によって第１ターゲット共振器にのみ共振電力を送信する場合、第１無線電力受信部で要求される電力レベルは２５０Ｗから１２５Ｗに変化する。この例で、ソース共振器の負荷特性は、５０オームから１００オームに変化する。ソース共振器の負荷特性が変化することによって、電力増幅器の動作負荷が１２５オームから２５０オームに変化し、これにより電力増幅器は、１２５Ｗの共振電力を増幅する。ところが、電力増幅器の動作負荷は、別途の制御部がない場合、ソース共振器の負荷特性の変化に応じて１２５オームから２５０オームに変換されることがない。別途の制御部が追加される場合、電力損失が付加的に発生し、結果的に無線電力伝送システムの効率を低下させることになる。
図３は、図２の共振電力送信装置で整合回路を用いる場合のスミスチャートの一例を示す図である。
図３に示すスミスチャートは、整合ネットワークとソース共振器との間で整合回路を用いる場合、ソース共振器の負荷特性が変化することによって電力増幅器の動作負荷特性がどのように変化するかを示す。スミスチャートは、無線周波数（ＲＦ）システムでインピーダンス整合をどのように行うかを示すために用いられる方法である。
図３を参照すると、整合ネットワークは、ソース共振器の負荷が５０オームである場合に電力増幅器が作動するように設計されているため、電力増幅器の動作負荷は１２５オームまで安定的に変化する。即ち、５０オームがソース共振器の基準負荷として設定されているため、スミスチャートの中心点３１０が５０オームになる。インピーダンスは、中心点３１０から電力増幅器の動作負荷３２０まで安定的に整合される。一方、ソース共振器の負荷が１００オームに変化した場合、インピーダンスは、スミスチャートの開始点３３０から電力増幅器の動作負荷３４０まで整合されない。即ち、インピーダンス整合のための別途の制御部が要求される。
図４は、適応型共振電力送信装置を示すブロック図である。
実施形態において、適応型共振電力送信装置は、ソース共振器の負荷特性が変化する場合に、別途の制御部追加なしに電力増幅器の動作負荷を整合させることが可能な装置である。下記の用語のうちの「負荷特性」はインピーダンス特性を含む意味で用いる。
図示したように、適応型共振電力送信装置は、交流−直流コンバータ４１０、周波数生成器４２０、電力増幅器４３０、適応的整合器４４０、ソース共振器４５０、検出器４６０、及びコントローラ４７０を備える。
交流−直流コンバータ４１０は、電源供給機から供給された交流（ＡＣ）エネルギーを直流（ＤＣ）エネルギー又は直流電流に変換する。
周波数生成器４２０は、直流エネルギー又は直流電流によって所望する周波数（例えば、共振周波数）を生成し、所望する周波数を有する電流を生成する。所望する周波数を有する電流は、電力増幅器４３０によって増幅される。
電力増幅器４３０は、電力増幅器４３０のインピーダンスを所定のインピーダンスに整合させるようにする整合ネットワーク４３１を備える。整合ネットワーク４３１は、電力増幅器４３０がソース共振器４５０の基準負荷（例えば、５０オーム）に整合されるようにする。他の実施形態において、整合ネットワーク４３１は、電力増幅器４３０に含まれる該当装置で代替される。また、電力増幅器４３０は、共振電力受信装置の要求電力の変化に対応してソース電力を増幅する。電力増幅器４３０は、適応的整合器４４０によって、変化した電力増幅器４３０の動作負荷に基づいて、共振電力受信装置の要求電力レベルに対応するソース電力を増幅する。
適応的整合器４４０は、共振電力受信装置の要求電力レベルに対応して整合ネットワーク４３１をソース共振器４５０のインピーダンスに適応的に整合させる。例えば適応的整合器４４０は、整合ネットワーク４３１とソース共振器４５０との間に位置する。適応的整合器４４０は、共振電力受信装置の要求電力レベルが変化してソース共振器４５０のインピーダンスが変化した場合、整合ネットワーク４３１とソース共振器４５０との間のインピーダンス整合を適応的に行う。例えば、電力増幅器４３０は基準負荷特性に適するように設計され、適応的整合器４４０は、電力増幅器４３０の動作負荷をソース共振器４５０のインピーダンス変化に整合するように変換する。
実施形態によって、適応的整合器４４０は線形的な特性を有する。従って、ソース共振器４５０のインピーダンスが変化した場合、適応的整合器４４０は、予め設定された範囲内で電力増幅器４３０の動作負荷をソース共振器４５０のインピーダンスに線形的に整合させることが可能である。例えば、適応的整合器４４０は、５０オームから１００オームの間で線形的な値を有するオフセットライン（Ｏｆｆｓｅｔ ｌｉｎｅ）である。例えば、オフセットラインは、予め設定された範囲で線形的なインピーダンス値を有する。オフセットラインは、ソース共振器４５０のインピーダンスの変化可能な範囲によって決定される。また、オフセットラインは、ソース共振器４５０のインピーダンスと同一の特性インピーダンスを有する。
適応的整合器４４０は、予め設定された範囲で線形的なインピーダンス値を有するように少なくとも１つのインダクター及び少なくとも１つのキャパシタを備えた整合回路を含む。オフセットラインは、線形的な所定のインピーダンス値を有するため、オフセットラインは、所定のインピーダンスに該当する等価回路を含む。例えば、所定のインピーダンスを有する等価回路はインダクター及びキャパシタによって具現される。
適応的整合器４４０は、整合ネットワーク４３１のインピーダンスをソース共振器４５０のインピーダンスに適応的に整合させるための位相を決定する位相決定部（図示せず）を備える。適応的整合器４４０としてオフセットラインが用いられる場合、整合が行われるか否かはオフセットラインの位相特性によって決まる。位相決定部（図示せず）は、整合ネットワーク４３１のインピーダンスがソース共振器４５０のインピーダンスに整合されるようにオフセットラインの位相を決定する。共振周波数が低く位相が大きい場合には、適応的整合のためのオフセットラインの物理長が長くなる。オフセットラインの長さが長くなる場合は、実際に使用することが困難な場合もあるため、オフセットラインは、共振周波数でオフセットラインと同じ特性を有するＬＣ等価回路を含んでもよい。例えば、ＬＣ等価回路は、インダクターとキャパシタで具現される。
ソース共振器４５０は、磁気結合によって共振電力受信装置に共振電力を送信する。ソース共振器４５０は、実施形態において図９〜図１６に示すように一つ以上の共振器を含む。例えば、共振電力は、ソース共振器４５０によって伝搬（ｐｒｏｐａｇａｔｅ）される波動（ｗａｖｅ）によって無線で送信される。ソース共振器４５０の負荷特性は、共振電力受信装置の要求電力レベルに応じて変化する。
検出器４６０は、共振電力受信装置から要求電力レベルに関する情報を含む信号を検出する。例えば、要求電力レベルに関する情報は、ソース共振器４５０と共振電力受信装置のターゲット共振器との間の距離、ソース共振器４５０からターゲット共振器に送信される波動（ｗａｖｅ）の反射係数、ソース共振器４５０とターゲット共振器との間の電力送信利得、及び／又はソース共振器４５０とターゲット共振器との間のカップリング効率などを含む。検出器４６０は、要求電力レベル変化に基づいてソース共振器４５０のインピーダンスを変えるための情報を検出する。
コントローラ４７０は、距離、反射係数、電力送信利得、カップリング効率、ターゲットの個数変化、ターゲットの消費電力変化などに基づいて、ソース共振器４５０のインピーダンスを調整するか、又は周波数生成器４２０によって生成される周波数を調整するための制御信号を生成する。
図５は、オフセットラインの等価回路を示す図である。
図示したように、図４の適応的整合器４４０はオフセットライン５１０に該当する。オフセットライン５１０は、整合ネットワーク４３１とソース共振器４５０との間に位置する。オフセットライン５１０は、ソース共振器４５０の基準負荷（例えば、５０オーム）と同一の特性負荷を有する。従って、ソース共振器４５０の負荷が変化した場合、所望する整合効果が得られる。即ち、オフセットライン５１０は、図４の整合ネットワーク４３１のインピーダンスをソース共振器４５０のインピーダンスに整合させ、図４の電力増幅器４３０は、共振電力受信装置で要求される電力レベルに対応して共振電力を増幅する。
また、オフセットライン５１０は位相特性に敏感であるため、共振周波数が低く位相が大きい場合には、オフセットライン５１０の物理長が長くなる。従って、実施形態において、共振周波数が低く位相が大きい場合、オフセットラインは、オフセットライン５１０と同一のインピーダンス特性を有するＬＣ等価回路５２０を含む。ＬＣ等価回路５２０は、インダクターＬ及びキャパシタＣ１、Ｃ２を含む。
図６は、整合回路を用いる場合のスミスチャートの一例を示す図である。
図６に示すスミスチャートは、整合ネットワークとソース共振器との間に整合回路が用いられた場合に、ソース共振器の負荷特性が変化することによって電力増幅器の動作負荷特性がどのように変化するかを示す。
図６を参照すると、オフセットラインは、ソース共振器の基準負荷（例えば、５０オーム）と同一の負荷を有する。例えば、ソース共振器の負荷が５０オームである場合、図６に示すように、インピーダンスは、スミスチャートの中心点６１０から電力増幅器の動作負荷６２０まで安定的に整合される。ソース共振器の負荷が１００オームに変化した場合には、５０オームの負荷を有するオフセットラインにより、スミスチャートの開始点６３０からスミスチャートの中心点６４０を基準にして円が描かれる。例えば、オフセットラインの位相特性により移動する軌跡が決定される。インピーダンスが２５０オームに整合されるようにオフセットラインの位相が決定された場合、インピーダンスはソース共振器の負荷から電力増幅器の動作負荷６５０に整合される。
図７は、オフセットライン及びＬＣ等価回路の特性を示す図である。
図７に示すグラフは、オフセットライン及びＬＣ等価回路の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）及び位相（ｐｈａｓｅ）特性を示す。共振周波数で、オフセットラインと同一の特性を有するＬＣ等価回路を用いてもよい。オフセットライン７１０の大きさ特性及びＬＣ等価回路７２０の大きさ特性は、周波数の変化に関わらず略一定の値を有する。オフセットライン７３０の位相特性及びＬＣ等価回路７４０の位相特性は、周波数の変化に応じて線形的に類似の値を有する。従って、共振周波数が低くオフセットラインの位相が大きい場合には、ＬＣ等価回路を用いて整合ネットワークをソース共振器のインピーダンスに整合させる。
図８Ａ及び８Ｂは、適応型共振電力送信装置における電力増幅器の出力レベル及び効率を示す図である。
図８Ａはソース共振器の負荷が変化する場合の電力増幅器の出力電力レベルを示す。図８Ｂは電力増幅器の出力電力レベルの変化による電力増幅器の効率を示す。
図８Ａを参照すると、線８１０に示すように、整合ネットワークとソース共振器との間に適応的整合器が位置しない場合には、ソース共振器の負荷が変化しても電力増幅器の出力電力レベルは殆ど差がない。即ち、電力増幅器は、共振電力受信装置で要求される電力レベルに対応しない。また、整合ネットワークとソース共振器との間に適応的整合器が位置する場合には、線８２０に示すように、ソース共振器の負荷が変化することによって、電力増幅器の出力電力レベルが線形的に変化する。即ち、電力増幅器は、共振電力受信装置で要求される電力レベルに対応する共振電力を増幅する。
図８Ｂを参照すると、整合ネットワークとソース共振器との間に適応的整合器が位置しない場合には、線８４０で示すように、電力増幅器がソース共振器の予め設定された基準負荷でのみ効率よく作動するため、出力電力の変化による効率が低下する。また、整合ネットワークとソース共振器との間に適応的整合器が位置する場合には、線８３０で示すように、適応的整合器４４０によってソース共振器の負荷が変化することで、整合ネットワークとソース共振器との間のインピーダンスが整合されることにより、出力電力の変化にも関わらず効率の低下が少ない。
一実施形態において、ソース共振器及び／又はターゲット共振器は、ヘリックス（ｈｅｌｉｘ）コイル構造の共振器、スパイラル（ｓｐｉｒａｌ）コイル構造の共振器、メタ（ｍｅｔａ）構造の共振器等で構成される。
自然界に存在する多くの物質の電磁気特性は、固有の誘電率又は固有の透磁率を有する。大部分の物質は正の誘電率又は正の透磁率を有する。大部分の物質で電界、磁界、及びポインティング・ベクトル等には右手の法則が適用されるため、このような物質をＲＨＭ（Ｒｉｇｈｔ Ｈａｎｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ）という。
一方、自然界に一般的に存在しないか、人工的に設計されたか、又は人によって製造された誘電率又は透磁率を有する物質は、ここではメタ物質と呼ぶことにする。メタ物質は、誘電率又は透磁率の符号によって、ＥＮＧ（ｅｐｓｉｌｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＭＮＧ（ｍｕ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＤＮＧ（ｄｏｕｂｌｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＮＲＩ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）物質、ＬＨ（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ）物質などに分類される。
ここで説明する実施形態の物質はメタ物質である。透磁率は、該当物質に与えられた磁界（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）に対して発生する磁束密度（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）と真空中でその磁界に対して発生する磁束密度との比を意味する。そして、誘電率は、該当物質に与えられた電界（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に対して発生する電束密度（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）と真空中でその電界に対して発生する電束密度との比を意味する。実施形態において、透磁率及び誘電率は所定の周波数又は所定の波長で該当物質の伝搬定数（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を決定するために用いられ、透磁率及び誘電率によってその物質の電磁気特性が決定される。一実施形態において、メタ物質は、物質のサイズが大きく変化しない場合にも容易に共振状態に置かれることがある。このような特徴は、相対的に大きい波長（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）領域又は相対的に低い周波数領域で実用的である。
図９は、２次元（２Ｄ）構造の共振器９００を示す図である。
図示したように、共振器９００は、例えば第１信号導体部分９１１、第２信号導体部分９１２、及びグラウンド導体部分９１３を含む伝送線路、キャパシタ９２０、整合器９３０、及び導体９４１、９４２を備える。
キャパシタ９２０は、第１信号導体部分９１１と第２信号導体部分９１２との間の位置に直列に挿入され、それによって電界がキャパシタ９２０に閉じ込められる。一般的に、伝送線路は、上部に少なくとも１つの導体と、下部に少なくとも１つの導体を含み、上部にある導体を介して電流が流れ、下部にある導体は電気的にグラウンドされる。
図９に示すように、共振器９００は、概略的に２次元構造の形態を有する。伝送線路は、上部に第１信号導体部分９１１及び第２信号導体部分９１２を含み、下部にグラウンド導体部分９１３を含む。図示したように、第１信号導体部分９１１及び第２信号導体部分９１２とグラウンド導体部分９１３は互いに向かい合うように配置され、電流は第１信号導体部分９１１及び第２信号導体部分９１２を通じて流れる。
実施形態において、第１信号導体部分９１１の一端は導体９４２に電気的に接続、即ち短絡され、他端はキャパシタ９２０に接続される。そして、第２信号導体部分９１２の一端は導体９４１に接続され、他端はキャパシタ９２０に接続される。即ち、第１信号導体部分９１１、第２信号導体部分９１２、グラウンド導体部分９１３、及び導体９４１、９４２が互いに接続されることによって、共振器９００は電気的に「クローズド−ループ構造」を有する。ここで、「クローズド−ループ構造」は、例えば円形構造、四角形のような多角形の構造などを全て含み、電気的に閉じられていることを意味する。
キャパシタ９２０は伝送線路の中間部に挿入される。例えば、キャパシタ９２０は、第１信号導体部分９１１と第２信号導体部分９１２との間の空間に挿入される。例えば、キャパシタ９２０は、集中定数素子（ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）及び分布定数素子（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）などの形態を有する。一実施形態において、分布定数素子の形態を有する分布定数キャパシタは、ジグザグ形態の導体ラインと、その導体ライン間に存在する相対的に高い誘電率を有する誘電体を含む。
キャパシタ９２０が伝送線路に挿入されることによって、上述したように、共振器９００はメタ物質の特性を有する。例えば、キャパシタ９２０のキャパシタンスを適切に調整することによって、共振器９００は負の透磁率を有し得るため、共振器９００はＭＮＧ共振器と呼ばれる。キャパシタ９２０のキャパシタンスを定める前提（ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）は様々であり得る。例えば、共振器９００がメタ物質の特性を有する前提はいくつかあり、共振器９００が対象周波数で負の透磁率を有する前提、共振器９００が対象周波数でゼロ次共振（Ｚｅｒｏｔｈ−Ｏｒｄｅｒ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を有する前提などがある。
ＭＮＧ共振器９００は、伝搬定数が「０」であるときの周波数を共振周波数として有するゼロ次共振特性を有する。ＭＮＧ共振器９００はゼロ次共振特性を有するため、共振周波数は、ＭＮＧ共振器９００の物理的なサイズに対して独立的である。更に、ＭＮＧ共振器９００で共振周波数を変更するためにはキャパシタ９２０を適切に設計することで充分なため、ＭＮＧ共振器９００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
例えば、近接フィールドにおいて、電界は伝送線路に挿入されたキャパシタ９２０に集中するため、キャパシタ９２０によって近接フィールドでは磁界が支配的（ｄｏｍｉｎａｎｔ）になる。実施形態において、ＭＮＧ共振器９００は、集中定数素子のキャパシタ９２０を用いることで相対的に高いＱ−ファクター（Ｑ−Ｆａｃｔｏｒ）を有するため、電力送信効率を向上させることができる。例えば、Ｑ−ファクターは、無線電力送信において、抵抗損失の程度又は抵抗に対するリアクタンスの比を表し、Ｑ−ファクターが大きいほど無線電力送信の効率は大きくなる。
ＭＮＧ共振器９００はインピーダンス整合のための整合器９３０を備える。例えば、整合器９３０は、ＭＮＧ共振器９００の磁界の強度を適切に調整し、ＭＮＧ共振器９００のインピーダンスを決定する。このような構成によって、電流はコネクタを介してＭＮＧ共振器９００に流入するか又はＭＮＧ共振器９００から流出する。コネクタはグラウンド導体部分９１３又は整合器９３０に接続される。他の例で、コネクタとグラウンド導体部分９１３又は整合器９３０との間に物理的な連結なしにカップリングを介して電力が送信され得る。
図９に示すように、整合器９３０は、共振器９００のループ構造によって形成されるループ内に位置する。整合器９３０は、その物理的な形態を変更することによって共振器９００のインピーダンスを調整する。例えば、整合器９３０は、グラウンド導体部分９１３から距離ｈだけ離れた位置にインピーダンス整合のための導体９３１を含む。従って、共振器９００のインピーダンスは距離ｈを調整することによって変更される。
他の例で、整合器９３０を制御するコントローラが提供される場合、整合器９３０は、コントローラによって生成される制御信号によって整合器９３０の物理的な形態を変更してもよい。例えば、制御信号によって整合器９３０の導体９３１とグラウンド導体部分９１３との間の距離ｈを増加させるか又は減少させ、それによって整合器９３０の物理的な形態が変更されて、共振器９００のインピーダンスが調整される。
図９に示すように、整合器９３０は、例えば導体９３１のような受動素子で具現され、勿論、実施形態によって、整合器９３０は、ダイオード、トランジスタなどのような能動素子で具現してもよい。能動素子が整合器９３０に含まれる場合、能動素子はコントローラによって生成される制御信号に応じて駆動され、その制御信号に応じて共振器９００のインピーダンスが調整される。例えば、整合器９３０に能動素子としてダイオードが含まれる場合、ダイオードが「ｏｎ」状態又は「ｏｆｆ」状態であるかに応じて共振器９００のインピーダンスが調整される。
また、他の例で、ＭＮＧ共振器９００を貫通するマグネチックコアを更に含んでもよい。このようなマグネチックコアは電力送信距離を増加させる機能を行う。
図１０は、３次元（３Ｄ）構造の共振器１０００を示す図である。
図１０を参照すると、共振器１０００は、第１信号導体部分１０１１、第２信号導体部分１０１２、及びグラウンド導体部分１０１３を含む伝送線路、及びキャパシタ１０２０を含む。例えば、キャパシタ１０２０は、伝送線路の第１信号導体部分１０１１と第２信号導体部分１０１２との間の位置に直列に挿入され、それによって電界がキャパシタ１０２０に閉じ込められる。
図１０に示すように、共振器１０００は、概略的に３次元構造の形態を有する。伝送線路は、上部に第１信号導体部分１０１１及び第２信号導体部分１０１２を含み、下部にグラウンド導体部分１０１３を含む。第１信号導体部分１０１１及び第２信号導体部分１０１２とグラウンド導体部分１０１３は互いに向かい合うように配置される。この配置で、電流は、第１信号導体部分１０１１及び第２信号導体部分１０１２を通じてｘ方向に流れ、このような電流によって−ｙ方向に磁界Ｈ（ｗ）が発生する。しかし、他の実施形態において図１０に示すものとは反対の＋ｙ方向に磁界Ｈ（ｗ）が発生し得る。
一実施形態において、第１信号導体部分１０１１の一端は導体１０４２に電気的に接続、即ち短絡され、他端はキャパシタ１０２０に接続される。そして、第２信号導体部分１０１２の一端は導体１０４１に接続され、他端はキャパシタ１０２０に接続される。即ち、第１信号導体部分１０１１、第２信号導体部分１０１２、グラウンド導体部分１０１３、及び導体１０４１、１０４２が互いに接続されることによって、共振器１０００は電気的に「クローズド−ループ構造」を有する。
図１０に示すように、キャパシタ１０２０は、第１信号導体部分１０１１と第２信号導体部分１０１２との間の空間に挿入される。例えば、キャパシタ１０２０は、集中定数素子及び分布定数素子などの形態を有する。例えば、分布定数素子の形態を有する分布定数キャパシタは、ジグザグ形態の導体ラインと、その導体ライン間に存在する相対的に高い誘電率を有する誘電体を含む。
上述したように、他の例で、キャパシタ１０２０が伝送線路に挿入されることによって、共振器１０００はメタ物質の特性を有し得る。
例えば、集中素子として挿入されたキャパシタ１０２０のキャパシタンスが適切に決定される場合、共振器１０００はメタ物質の特性を有する。共振器１０００は、キャパシタ１０２０のキャパシタンスを適切に調整することによって、特定の周波数帯域において負の透磁率を有するため、ＭＮＧ共振器とも呼ばれる。キャパシタ１０２０のキャパシタンスを定める前提は様々であり得る。例えば、共振器１０００がメタ物質の特性を有する前提、共振器１０００が対象周波数で負の透磁率を有する前提、共振器１０００が対象周波数でゼロ次共振の特性を有する前提などがあり、上述した前提のうちの少なくとも１つの前提の下でキャパシタ１０２０のキャパシタンスが決定される。
ＭＮＧ共振器１０００は、伝搬定数が「０」であるときの周波数を共振周波数として有するゼロ次共振特性を有する。ＭＮＧ共振器１０００はゼロ次共振特性を有するため、共振周波数は、ＭＮＧ共振器１０００の物理的なサイズに対して独立的である。従って、ＭＮＧ共振器１０００で共振周波数を変更するためにはキャパシタ１０２０を適切に設計することで充分なため、ＭＮＧ共振器１０００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
図１０のＭＮＧ共振器１０００を参照すると、近接フィールドにおいて、電界は伝送線路１０１０に挿入されたキャパシタ１０２０に集中するため、キャパシタ１０２０によって近接フィールドでは磁界が支配的（ｄｏｍｉｎａｎｔ）になる。特に、ゼロ次共振特性を有するＭＮＧ共振器１０００は、磁気双極子（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅ）に類似する特性を有するため、近接フィールドでは磁界が支配的になり、キャパシタ１０２０の挿入により形成される相対的に少ない量の電界はそのキャパシタ１０２０に集中するため、磁界が更に支配的になる。
また、ＭＮＧ共振器１０００はインピーダンス整合のための整合器１０３０を備える。整合器１０３０は、ＭＮＧ共振器１０００の磁界の強度を適切に調整し、整合器１０３０によってＭＮＧ共振器１０００のインピーダンスが決定される。実施形態において、電流はコネクタ１０４０を介してＭＮＧ共振器１０００に流入するか又はＭＮＧ共振器１０００から流出する。そして、コネクタ１０４０はグラウンド導体部分１０１３又は整合器１０３０に接続される。
図１０に示すように、整合器１０３０は、共振器１０００のループ構造によって形成されるループの内部に位置する。整合器１０３０は、その物理的な形態を変更することによって共振器１０００のインピーダンスを調整する。例えば、整合器１０３０は、グラウンド導体部分１０１３から距離ｈだけ離隔された位置にインピーダンス整合のための導体１０３１を含む。共振器１０００のインピーダンスは距離ｈを調整することによって変更される。
他の実施例で、整合器１０３０を制御するコントローラが提供される場合、整合器１０３０は、コントローラによって生成される制御信号によって整合器１０３０の物理的な形態を変更してもよい。例えば、制御信号によって整合器１０３０の導体１０３１とグラウンド導体部分１０３０との間の距離ｈを増加させるか又は減少させ、これにより整合器１０３０の物理的な形態が変更されて、共振器１０００のインピーダンスが調整される。整合器１０３０の導体１０３１とグラウンド導体部分１０１３との間の距離ｈは様々な方式で調整される。例えば、整合器１０３０には複数の導体が含まれ、その導体のうちのいずれか１つを適応的に活性化することによって距離ｈが調整される。或いは、導体１０３１の物理的な位置を上下に調整することによって距離ｈが調整される。例えば、このような距離ｈはコントローラの制御信号に応じて制御され、コントローラは様々なファクターを用いて制御信号を生成する。
図１０に示すように、整合器１０３０は、例えば導体１０３１のような受動素子で具現され、勿論、他の実施形態によって、整合器１０３０は、例えばダイオード、トランジスタなどのような能動素子で具現してもよい。能動素子が整合器１０３０に含まれる場合、能動素子はコントローラによって生成される制御信号に応じて駆動され、その制御信号に応じて共振器１０００のインピーダンスが調整される。例えば、整合器１０３０に能動素子としてダイオードが含まれる場合、ダイオードが「ｏｎ」状態又は「ｏｆｆ」状態であるかに応じて共振器１０００のインピーダンスが調整される。
また、他の実施例で、ＭＮＧ共振器１０００を貫通するマグネチックコアを更に含んでもよい。このようなマグネチックコアは電力送信距離を増加させる機能を行う。
図１１は、ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅとして設計された無線電力送信のための共振器１１００を示す図である。
ここで使用する「ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅ」という用語は、別途の継ぎ目なしで一体型として、２以上の部分（ｐａｒｔｓ）を接続する類型を呼称する。
図１１を参照すると、第１信号導体部分１１１１と導体１１４２は、個別に製造されて互いに接続されるのではなく、一体型に形成される。同様に、第２信号導体部分１１１２と導体１１４１も一体型に製造される。
第２信号導体部分１１１２と導体１１４１が個別に製造された後互いに接続される場合、継ぎ目１１５０による導体損失が発生する。従って、実施例で、第２信号導体部分１１１２と導体１１４１は、別途の継ぎ目なしに（ｓｅａｍｌｅｓｓ）互いに接続される。これにより、継ぎ目１５０による導体損失を減らすことができる。導体１１４１とグラウンド導体部分１１１３も、別途の継ぎ目なしに互いに接続することで、継ぎ目による導体損失を減らすことができる。即ち、第２信号導体部分１１１２とグラウンド導体部分１１１３は、別途の継ぎ目なしに一体型に製造される。同様に、第１信号導体部分１１１１、導体１１４２、及びグラウンド導体部分１１１３は、別途の継ぎ目なしに１つの一体型に製造される。
整合器１１３０は、明細書で説明する１つ以上の実施形態と同様の構造で提供される。
図１２は、Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅとして設計された無線電力送信のための共振器１２００を示す図である。
図１２を参照すると、Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅ構造は、共振器１２００の第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２のそれぞれで構成される。ここで使用する「Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅ」という用語は、内部に空いている空間を含む形態をいう。
所定の共振周波数において、有効電流は、第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２のそれぞれの全ての部分を介して流れるのではなく、それぞれの一部の部分のみを介して流れるものとしてモデリングされる。所定の共振周波において、第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２の厚さがそれぞれの表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）よりも過度に厚いことは効率的ではない。即ち、それは共振器１２００の重さや共振器１２００の製造費用を増加させることになる。
従って、所定の共振周波数において、第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２のそれぞれの表皮深さに基づいて、第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２のそれぞれの厚さが適切に決定される。第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２のそれぞれが該当する表皮深さよりも大きいながらも適切な厚さを有する場合、共振器１２００は軽くなり、共振器１２００の製造費用も減少する。
例えば、図１２に示すように、第２信号導体部分１２１２（円で示す拡大表示領域１２６０でより詳細に図示するように）の厚さはｄｍｍに決定され、ｄは
Figure 2013537029
によって決定される。ここで、ｆは周波数、μは透磁率、σは導体定数を表す。一実施例において、第１信号導体部分１２１１、第２信号導体部分１２１２、グラウンド導体部分１２１３、及び導体１２４１、１２４２が、銅（ｃｏｐｐｅｒ）で作られ、５．８×１０７ジーメンス／メートル（Ｓ・ｍ−１）の導電率を有する場合、共振周波数が１０ｋＨｚでは表皮深さは約０．６ｍｍであり、共振周波数が１００ＭＨｚでは表皮深さは約０．００６ｍｍである。キャパシタ１２２０及び整合器１２３０は、明細書で説明する１つ以上の実施形態と同様の構造で提供される。
図１３は、パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）形態を適用した無線電力送信のための共振器１３００を示す図である。
図１３を参照すると、パラレルシート形態は、共振器１３００に含まれる第１信号導体部分１３１１及び第２信号導体部分１３１２のそれぞれに適用される。
第１信号導体部分１３１１及び第２信号導体部分１３１２のそれぞれは、完ぺきな導体ではないことから抵抗成分を有し、その抵抗成分によって抵抗損失が発生する。このような抵抗損失はＱファクターを減少させ、カップリング効率を減少させる。
第１信号導体部分１３１１及び第２信号導体部分１３１２のそれぞれにパラレルシート形態を適用することによって、抵抗損失を減らし、Ｑファクター及びカップリング効率を増加させることができる。図１３の円で示す拡大表示部分１３７０を参照すると、パラレルシート形態が適用された場合、第１信号導体部分１３１１及び第２信号導体部分１３１２のそれぞれは複数の導体ラインを含む。複数の導体ラインは、並列的に配置され、第１信号導体部分１３１１及び第２信号導体部分１３１２のそれぞれの先端部分で電気的に接続、即ち短絡される。
第１信号導体部分１３１１及び第２信号導体部分１３１２のそれぞれにパラレルシート形態を適用した場合、複数の導体ラインが並列的に配置されるため、導体ラインが有する抵抗成分の和は減少する。従って、抵抗損失を減らし、Ｑファクター及びカップリング効率を増加させることができる。
キャパシタ１３２０及びグラウンド導体部分１３１３の上部に位置する整合器１３３０は、明細書で説明する１つ以上の実施形態と同様の構造で提供される。
図１４は、分布定数キャパシタを含む無線電力送信のための共振器１４００を示す図である。
図１４を参照すると、無線電力送信のための共振器に含まれるキャパシタ１４２０は分布定数キャパシタである。集中定数素子としてのキャパシタは相対的に高い等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＥＳＲ）を有する。集中定数素子キャパシタに含まれるＥＳＲを減らすための様々な方式が提案されている。一実施形態によると、分布定数素子としてのキャパシタ１４２０を用いることによってＥＳＲを減らすことができる。参考として、ＥＳＲによる損失はＱファクター及びカップリング効率を減少させる。
図１４に示すように、分布定数素子キャパシタ１４２０は、ジグザグ構造の導体ラインで具現される。
一例で、分布定数素子としてのキャパシタ１４２０を用いることによって、ＥＳＲによる損失を減らすことができ、また複数の集中定数素子としてのキャパシタを並列に用いることによって、ＥＳＲによる損失を減らすことができる。なぜなら、集中定数素子としてのキャパシタのそれぞれの抵抗成分は並列接続によって小さくなるため、並列接続された集中定数素子としてのキャパシタの実効抵抗も小さくなり、従って、ＥＳＲによる損失を減らすことができる。例えば、１０ｐＦのキャパシタ１つを用いる代わりに１ｐＦのキャパシタ１０個を用いることによってＥＳＲによる損失を減らすことができる。
図１５Ａは、図９の共振器９００に用いられる整合器９３０を示す図であり、図１５Ｂは、図１０の共振器１０００に用いられる整合器１０３０を示す図である。
図１５Ａは、整合器９３０を含む図９の共振器９００の一部を示し、図１５Ｂは整合器１０３０を含む図１０の共振器１０００の一部を示す。
図１５Ａを参照すると、整合器９３０は、導体９３１、導体９３２、及び導体９３３を含む。導体９３２及び導体９３３は、グラウンド導体部分９１３及び導体９３１に接続される。導体９３１とグラウンド導体部分９１３との間の距離ｈにより２次元共振器のインピーダンスが決定され、導体９３１とグラウンド導体部分９１３との間の距離ｈはコントローラによって制御される。導体９３１とグラウンド導体部分９１３との間の距離ｈは様々な方式で調整することができる。例えば、導体９３１、９３２、９３３のいずれか１つを適応的に活性化することによって距離ｈを調整する方式、導体９３１の物理的な位置を上下に調整する方式などがある。
図１５Ｂを参照すると、整合器１０３０は、導体１０３１、１０３２、１０３３、複数の導体１０４１，１０４２を備える。導体１０３２及び導体１０３３は、グラウンド導体部分１０１３及び導体１０３１に接続される。導体１０３１とグラウンド導体部分１０１３との間の距離ｈにより３次元共振器のインピーダンスが決定され、例えば導体１０３１とグラウンド導体部分１０１３との間の距離ｈはコントローラによって制御される。図１５Ａに示した整合器９３０と同様、整合器１０３０でも、導体１０３１とグラウンド導体部分１０１３との間の距離ｈは様々な方式で調整される。例えば、導体１０３１、１０３２、１０３３のいずれか１つを適応的に活性化することによって距離ｈを調整する方式、導体１０３１の物理的な位置を上下に調整する方式などがある。
他の実施形態において、整合器は能動素子を含んでもよい。能動素子を用いて共振器のインピーダンスを調整する方式は上述した例と同様である。例えば、能動素子を用いて整合器を通じて流れる電流の経路を変更することによって、共振器のインピーダンスを調整することができる。
図１６は、図９の無線電力送信のための共振器９００の等価回路を示す図である。
図９の無線電力送信のための共振器９００は、図１６の等価回路にモデリングされる。図１６に示す等価回路において、ＬＲは図９の電力伝送線路のインダクタンスを示し、ＣＬは図９の電力伝送線路の中間部に集中定数素子の形態で挿入されたキャパシタ９２０を示し、ＣＲは図９の電力伝送線路及び／又はグラウンドとの間のキャパシタンスを示す。
一例で、共振器９００はゼロ次共振特性を有する。例えば、伝搬定数が「０」である場合、共振器９００は
Figure 2013537029
を共振周波数として有するものと仮定する。共振周波数
Figure 2013537029
は下記の数式（２）のように表される。数式２で、ＭＺＲはＭｕ Ｚｅｒｏ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒを意味する。
Figure 2013537029
数式２を参照すると、共振器９００の共振周波数
Figure 2013537029
によって決定され、共振周波数
Figure 2013537029
と共振器９００の物理的なサイズは互いに独立的であることが分かる。従って、共振周波数
Figure 2013537029
と共振器９００の物理的なサイズが互いに独立的であるため、共振器９００の物理的なサイズは十分に小さくなり得る。
上述したように、本発明を限定された実施形態と図面とによって説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形をすることが可能である。従って、本発明の範囲は、開示した実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものなどによって定められる。
１０１ 磁気結合（マグネチックカップリング）
１１０ 共振電力送信装置
１１１ ソース部
１１３、１２３ 整合制御部
１１５、４５０ ソース共振器
１２０ 共振電力受信装置
１２１ ターゲット共振器
１２５ ターゲット部
３１０、６１０、６４０ スミスチャートの中心点
３２０、３４０、６２０、６５０ 電力増幅器の動作負荷
３３０、６３０ スミスチャートの開始点
４１０ 交流−直流コンバータ
４２０ 周波数生成器
４３０ 電力増幅器
４３１ 整合ネットワーク
４４０ 適応的整合器
４６０ 検出器
４７０ コントローラ
５１０、７１０、７３０ オフセットライン
５２０、７２０、７４０ ＬＣ等価回路
９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００ 共振器
９１１、１０１１、１１１１、１２１１、１３１１ 第１信号導体部分
９１２、１０１２、１１１２、１２１２、１３１３ 第２信号導体部分
９１３、１０１３、１１１３、１２１３、１３１３ グラウンド導体部分
９２０、１０２０、１１２０、１２２０、１３２０、１４２０ キャパシタ
９３０、１０３０、１１３０、１２３０、１３３０ 整合器
９３１、９３２、９３３、９４１、９４２、１０３１、１０３２、１０３３、１０４１、１０４２、１１４１、１１４２、１２４１、１２４２ 導体
１０４０ コネクタ
１１５０ 継ぎ目
１２６０ 円で示す拡大表示領域
１３７０ 円で示す拡大表示部分

Claims (15)

  1. 共振電力受信装置に共振電力を送信するソース共振器と、
    電力増幅器のインピーダンスを所定のインピーダンスに整合させる整合ネットワークを含み、前記共振電力受信装置の要求電力レベルにソース電力を増幅する電力増幅器と、
    前記要求電力レベルに基づいて前記整合ネットワークのインピーダンスを前記ソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させる適応的整合器と、を備えることを特徴とする適応型共振電力送信装置。
  2. 前記適応的整合器は、予め設定された範囲で線形的なインピーダンス値を有するオフセットラインを含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  3. 前記適応的整合器は、予め設定された範囲で線形的なインピーダンス値を有するように少なくとも１つのインダクター及び少なくとも１つのキャパシタを備えた整合回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  4. 前記適応的整合器は、前記整合ネットワークのインピーダンスを前記ソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させるための位相を決定する位相決定部を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  5. 前記共振電力受信装置から前記要求電力レベルに関する情報を含む信号を検出する検出器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  6. 前記検出器は、前記ソース共振器と前記共振電力受信装置のターゲット共振器との間の距離、前記ソース共振器から前記ターゲット共振器に送信される波動の反射係数、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の電力送信利得、及び前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間のカップリング効率のうちの少なくとも１つを検出することを特徴とする請求項５に記載の適応型共振電力送信装置。
  7. 交流エネルギーを直流エネルギーに変換する交流−直流コンバータと、
    前記直流エネルギーに基づいて共振周波数を有する電流を生成する周波数生成器と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  8. 前記ソース共振器は、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、該第１信号導体部分及び該第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分とを含む伝送線路と、
    前記第１信号導体部分を前記グラウンド導体部分に電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分を前記グラウンド導体部分に電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  9. 前記ソース共振器は、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置して該ソース共振器のインピーダンスを決定する整合器を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の適応型共振電力送信装置。
  10. 前記ソース共振器は、磁気結合によって前記共振電力受信装置に共振電力を送信することを特徴とする請求項１に記載の適応型共振電力送信装置。
  11. 共振電力受信装置に共振電力を送信するステップと、
    電力増幅器によってソース電力を前記共振電力受信装置の要求電力レベルに増幅するステップと、
    整合ネットワークによって前記電力増幅器のインピーダンスを所定のインピーダンスに整合するステップと、
    前記要求電力レベルに基づいて前記整合ネットワークのインピーダンスを前記ソース共振器のインピーダンスに適応的に整合するステップと、を有することを特徴とする適応型共振電力送信方法。
  12. 前記適応的に整合するステップは、予め設定された範囲で線形的にインピーダンス値を設定するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の適応型共振電力送信方法。
  13. 前記適応的に整合するステップは、前記整合ネットワークのインピーダンスを、前記共振電力を送信するソース共振器のインピーダンスに適応的に整合させるための位相を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の適応型共振電力送信方法。
  14. 前記共振電力受信装置から前記要求電力レベルに関する情報を含む信号を検出するステップを更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の適応型共振電力送信方法。
  15. 前記検出するステップは、ソース共振器と前記共振電力受信装置のターゲット共振器との間の距離、前記ソース共振器から前記ターゲット共振器に送信される波動の反射係数、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の電力送信利得、及び前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間のカップリング効率のうちの少なくとも１つを検出するステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の適応型共振電力送信方法。
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