JP2015502726A

JP2015502726A - 太陽電池パネルのための無線エネルギー伝達

Info

Publication number: JP2015502726A
Application number: JP2014537236A
Authority: JP
Inventors: ピーケスラーモリス; エルホールキャサリン; アールジラーエリック; ジェイクリコフスキコンラード; ジェイカンパネッラアンドリュー; ヴァルギーズサイモン
Original assignee: WiTricity Corp
Current assignee: WiTricity Corp
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2015-01-22
Also published as: HK1200604A1; AU2012326113A1; EP2769455A1; CN104011970A; CA2852924A1; AU2012326113A2; EP2769455A4; EP2769455B1; WO2013059441A1; KR20140081877A

Abstract

太陽電池パネルに関する無線送電のための改善された構成について本明細書に記載する。太陽電池モジュールからの電気エネルギーを用いて、少なくとも１つの無線エネルギー供給源にエネルギーを供給することにより、無線エネルギー伝達のための振動磁界を発生させる方法および設計を記載する。供給源は、太陽電池モジュールにインピーダンスを示すよう構成され調整され得、かかるインピーダンスにより、かかる太陽電池モジュールから実質的にエネルギーを抽出することが可能となる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１０月１８日に出願された米国仮特許出願第６１／５４８，５２１号および２０１１年１０月１９日に出願された米国特許出願第１３／２７７，０８３号の利益を主張する。

前述の出願は、それらの全体が引用として本明細書に組み込まれる。

本発明は、無線エネルギー伝達、このような伝達を遂行するための方法、システム、および装置、ならびに使用法に関する。

エネルギーまたは電力は、下記文献に詳述されるような様々な技術を用いて無線伝達することができる。文献は例えば、同一所有者の、米国特許出願公開第２０１０／０２３７７０９号として２０１０年９月２３日に公開された題名「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」の米国特許出願第１２／７８９，６１１号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０１８１８４３号として２０１０年７月２２日に公開された題名「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION」の米国特許出願第１２／７２２，０５０号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０３０８９３９として２０１０年１２月９日に公開された題名「Integrated Resonator-Shield Structures」の米国特許出願第１２／８６０，３７５号明細書、米国特許出願公開第２０１２／００６２３４５として２０１２年３月１５日に公開された題名「Low Resistance Electrical Conductor」の米国特許出願第１３／２２２，９１５号明細書、＿＿＿＿＿＿として＿＿＿＿＿＿に公開された題名「Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting」の米国特許出願第１３／２８３，８１１号明細書、および＿＿＿＿＿＿として＿＿＿＿＿＿に公開された米国特許出願第１３／５３４，９６６号明細書であり、そのすべての開示内容は、全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる。従来技術の無線エネルギー伝達システムは、使用者の安全性に関する懸念、低エネルギー伝達効率、ならびにエネルギー供給およびシンクコンポーネントに対する制限的な物理的近接／配置の許容範囲を含む様々な要因によって制限されてきた。

一般的に、従来の住宅用および商用太陽電池（ＰＶ）パネルの設置は、これらの太陽光発電システムが高コストであることによりその採用が妨げられてきたと認識されている。最近の概算によれば、システムコストの５０％もが、太陽ＰＶパネルの設置プロセスに関係するものであることが示唆されている。太陽ＰＶパネル設置のコストを高騰させる要因として、以下が挙げられる。
・屋根の危険性：設置工事は通常屋根の上で行われ、このような工事は、危険を伴うため、責任保険および作業者の補償保険の実質的な掛け金を要し得る。
・高度技能習得作業者：太陽ＰＶパネル設置が複雑であることにより、保険料率を左右する、高度な訓練を受けた職人（屋根職人、大工、および電気技師）、施工業者、および専門技術者の集合が必要とされ得る。
・敷地専用設計：設置ごとに、パネル位置、ストリング設計、および配線構成を最適化し、個々の屋根勾配、太陽方位、およびその他の建築物特有の要素を適応させるために、敷地専用の技術作業が必要となり得る。照度レベルの異なるパネルまたはストリングを含む設備は、その領域のＰＶパネルから効率的にエネルギーを抽出するために、専用の最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ：maximum power point tracker）回路を必要とし得る。その後、ＭＰＰＴ回路の出力は、内部主要インバータまたは充電装置合わせて供給または個別に供給される必要がある。このような敷地専用の最適化を行わなければ、出力効率が予想よりもはるかに下回る可能性がある。
・屋根および建築物の貫通：屋根構造または外壁を通して配線を敷設することは、高価で、建物の耐候性を損なわせる、潜在的に障害が起こりやすい作業となり得る。
・高固定費：設備コストは高固定費要素を含む可能性があり、これは、設置コストを償却できる程度にＰＶ設備の規模が大きい（多くの場合２ｋＷ〜３ｋＷ）必要があることを意味する。その結果、典型的な住宅用太陽ＰＶシステムは２万ドルを上回る可能性があり、助成金を支給されない返済期間が２０年を超える可能性がある。

高設置コストに加え、従来の有線ＰＶパネルは、再構成することが困難であり、信頼性が低い。これらのパネルは、常時固定位置に接続されている必要がある可能性があり、構成変更または位置変更が困難となるが、これは再配線および電気接続の拡張を要する可能性があるためである。さらに、有線接続は、ＰＶシステム内の配線、連結器、および回路部品を耐候加工および密閉することをより困難にするため、極端な温度、強風、雨、高紫外線などを含む過酷な環境条件にさらされ得る、設置されたシステム内により多くの障害点を発生させる可能性がある。

そのため、コストおよびＰＶパネルの配線の複雑度を低減する方法および設計への要求が存在する。

移動装置または頻繁に位置が変更される装置にわたってエネルギーを分配することは、有線接続では非実用的である。装置を移動および変更させると、配線がもつれ、つまずく危険を生じるなどの可能性が生じる。より広い範囲への無線エネルギー伝達は、装置が存在しうる範囲または領域が装置のサイズに対し大きい場合に困難となり得る。電源およびデバイスの無線エネルギー捕捉モジュールにおける不整合が大きい場合、実施を現実的にするのに十分なエネルギーを十分高い効率で装置に伝える際の課題となり、あるいは生成が困難となる。

したがって、配線を用いないながら容易に生成でき、構成可能であるとともに、多くの家電および工業装置への電力供給に十分な電力を伝えることができ、実用的なエネルギー分配の方法及び設計への要求が存在する。

パッケージ用途において、共振器および共振器アセンブリを配置して無線エネルギーを広範囲に分配してもよい。使用されうる無線エネルギー伝達共振器および構成要素は例えば、そのすべての開示内容は、全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる、同一所有者の、米国特許出願公開第２０１０／０２３７７０９号として２０１０年９月２３日に公開された題名「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」の米国特許出願第１２／７８９，６１１号明細書、および米国特許出願公開第２０１０／０１８１８４３号として２０１０年７月２２日に公開された題名「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION」の米国特許出願第１２／７２２，０５０号明細書に記載されている。

例示的な非限定的な実施形態において、パッケージングされた製品は、製品と、少なくとも部分的に製品を被覆する製品パッケージと、供給源共振器から無線エネルギーを受け取るための、製品パッケージと一体化したデバイス共振器と、デバイス共振器から無線エネルギーを受け取るための、デバイス共振器に結合された電気要素とを備える。

別の例示的な非限定的な実施形態において、方法は、少なくとも１つの供給源共振器を設ける工程と、少なくとも１つの供給源共振器から無線エネルギーを受け取るためのデバイス共振器と、デバイス共振器から無線エネルギーを受け取るための電気要素とをそれぞれ備える複数のパッケージングされた製品を設ける工程と、複数のパッケージングされた製品を、複数のパッケージングされた製品のうち複数を、少なくとも１つの供給源共振器に無線エネルギーを受け取るのに十分に近接するよう配列させる工程とを含む。

別の例示的な非限定的な実施形態において、少なくとも１つの供給源共振器と；製品と、少なくとも部分的に製品を被覆する製品パッケージと、供給源共振器から無線エネルギーを受け取るための、製品パッケージと一体化したデバイス共振器と、デバイス共振器から無線エネルギーを受け取るための、デバイス共振器に結合された電気要素とをそれぞれ備える複数のパッケージングされた製品を配置するための保持装置とを備える。

結合共振器を用いた無線エネルギー伝達の機能をＰＶパネルに付加することにより、太陽電池パネル設置プロセスのコストおよび複雑性を実質的に低減し得る。実施形態において、ＭＰＰＴ回路および無線エネルギー供給源が連結された個別のパネルを屋根の上に載置することができる。対応する無線エネルギー捕捉装置を屋根の下に設置してもよい。このような構成により、太陽ＰＶパネル設置のコストを高騰させる要因を軽減し得る。例えば、屋根上の電気配線およびこれに付随する屋根の貫通の必要が低減し得る。訓練され、屋上工事のために保険の対象となる設置作業員の数が少なくてすむ可能性がある。ＰＶパネルは、電気的貫通接続およびこれに付随するウェザーシールが不要となり得る。

無線エネルギー伝達をＰＶパネルに応用する際の特に重要な課題の１つは、最大電気エネルギーをＰＶパネルまたはパネルのストリングから抽出する能力を低下させることなく無線エネルギー伝達を最適化するという問題である。ＰＶパネルの電流および電圧特性は、照度レベル、ＰＶパネル温度、およびＰＶパネルに接続される電気回路によって変化する複雑な関係をもつ。従来のＭＰＰＴシステムは、ＰＶパネルの出力をサンプリングし、照度および温度を含む任意の環境条件での最大電力を得る等価負荷抵坑を加える。問題は、環境条件が変化するとともに等価負荷抵坑が変化し、任意の時間における抵抗が、無線エネルギー伝達をもたらさない可能性があることである。

一実施形態において、例えば、ＰＶパネルはＰＶエネルギー抽出を最大化するが、無線エネルギー供給源に可変電流および電圧特性をもたらすＭＰＰＴ回路を有し得る。無線エネルギー供給源の入力部における電流または電圧の変動により、無線エネルギー捕捉装置への無線エネルギー伝達効率が低下し得る。他の実施形態において、無線エネルギー供給源への出力を制御するＭＰＰＴ回路に付加回路を加えてもよい。付加回路はしかし、無線伝達のためのエネルギーの一部を吸収してしまう場合がある。

別の実施形態において、最適なエネルギー抽出のために等価負荷抵坑をＰＶパネルに加えつつ、共振器間のエネルギー伝達を行うために構成されうる無線エネルギー供給源により、無線伝達のためのエネルギーを大幅に損なうことなく、ＰＶパネルからの電気エネルギー抽出が達成される。このような無線電源は、現在可能であるよりもより広範な環境条件にわたって効率的にエネルギーをＰＶパネルから無線捕捉装置に伝達することができる。本明細書において、このような無線エネルギー供給源を、「無線エネルギー最大電力点追従制御装置（ＷＥＭＰＰＴ）」と呼ぶ。

実施形態において、ＷＥＭＰＰＴ構成は、スイッチング時間の自動調整機能を加えることにより、スイッチング増幅器を備える無線エネルギー供給源において実現され得る。他の実施形態において、ＷＥＭＰＰＴ構成は、コンデンサ、インダクタ、抵抗などの回路素子を備える無線エネルギー供給源において、変化する環境条件に応じて前述の回路素子に自動調整機能を加えることにより実現され得る。

太陽ＰＶパネルに加えて、電気エネルギーを生成させる他の方法として、風力発電機、水力発電機、熱電発電機、および熱光起電力発電機が挙げられる。このような方法はまた、環境条件によって変化する電気出力をもたらし、従来のＭＰＰＴ回路を用いてエネルギー抽出を最大化することができる。当業者であれば、ＷＥＭＰＰＴ構成の要素が一般的なものであり、様々な電気エネルギー発生器に応用可能であることを理解するであろう。

様々な実施形態における様々なシステムおよびプロセスにより、結合共振器を用いる無線エネルギー伝達が可能となる。ある実施形態においては、無線エネルギー伝達システムは、電源および無線エネルギーのシンクを検証および認証する能力を必要とするかまたはその恩恵を受ける。このような実施形態の特徴は一般的なものであり、本明細書に記載の具体例に関わらず、様々な共振器に応用可能である。

実施形態において、磁気共振器は、インダクタおよびコンデンサのいくつかの組合せを含み得る。コンデンサ、インダクタ、抵抗、スイッチなどのような付加回路素子を、磁気共振器と電源の間、および／または磁気共振器と電源負荷の間に挿入してもよい。本開示において、共振器の高Ｑ誘導ループを備える導電性コイルは、インダクタおよび／または誘導負荷と呼んでもよい。誘導負荷はまた、他のシステムまたは外部の物体に（相互インダクタンスを介して）無線結合される場合、インダクタを指し得る。本開示において、誘導負荷以外の回路素子は、インピーダンス整合回路網すなわちＩＭＮの一部であると表現され得る。インピーダンス整合回路網の一部と表現される素子のすべて、またはいくつかが磁気共振器の一部であってもよいし、いずれの素子も磁気共振器の一部でなくてもよいことを理解されたい。いずれの素子が共振器の一部であり、いずれが共振器から分離されているかは、具体的な磁気共振器および無線エネルギー伝達システム設計に左右される。

一態様において、エネルギーを、無線エネルギー供給源に接続される光起電力素子から伝達する方法は、前記供給源を、共振器間のエネルギー転送用に構成する工程を含み得る。少なくとも１つの共振器を無線エネルギー捕捉装置に接続してもよい。前記供給源は、光起電力素子に対しインピーダンスを示し得る。前記インピーダンスにより、前記太陽電池装置からエネルギーを実質的に抽出可能になり得る。インピーダンスは、光起電力素子に対する放射照度の変化に応じて調節してもよい。無線エネルギー供給源において、インダクタンス、容量、抵抗、またはスイッチング時間などの１つ以上の回路パラメータを調節してもよい。エネルギー捕捉装置において、インダクタンス、容量、抵抗、またはスイッチング時間などの１つ以上の回路パラメータを調節してもよい。

別の態様において、エネルギーを、無線エネルギー供給源に接続される太陽電池装置から伝達する方法は、前記供給源を、共振器間のエネルギー転送用に構成する工程を含み、少なくとも１つの共振器を無線エネルギー捕捉装置に接続してもよい。前記捕捉装置は、負荷に電流を供給してもよい。前記電流は設定値に制御してもよい。前記供給源は、太陽電池装置に対しインピーダンスを示し得る。前記インピーダンスは、光起電力素子に対する放射照度の変化に応じて調節してもよい。複数の無線エネルギー捕捉装置は、ほぼ同じ設定値を有してもよく、直列接続で構成されてもよい。設定値は、直列接続全体で所期の電圧を維持するよう調節してもよい。

別の態様において、エネルギーを、無線エネルギー供給源に接続される太陽電池装置から伝達する方法は、前記供給源を、共振器間のエネルギー転送用に構成する工程を含み、少なくとも１つの共振器を無線エネルギー捕捉装置に接続してもよい。前記捕捉装置は、負荷に電圧を印加してもよい。前記電圧は設定値に制御してもよい。前記供給源は、太陽電池装置に対しインピーダンスを示し得る。インピーダンスは、光起電力素子に対する放射照度の変化に応じて調節してもよい。複数の無線エネルギー捕捉装置は、ほぼ同じ設定値を有してもよく、並列接続で構成されてもよい。設定値は、並列接続全体で所期の電流を維持するよう調節してもよい。

別の態様において、光起電力素子に接続される無線エネルギー伝達システムの構成要素は、帯域内信号機能とともにデータおよびパラメータを交換するための安全な帯域外通信リンクを有する。帯域内信号機能は、無線送電に用いる磁界の修正または変調に基づいてもよい。帯域内信号機能を、磁気エネルギーの供給源または供給先を検証するための二次通信チャネルとして用いてもよい。帯域外信号機能は、エネルギー伝達のパラメータの調節、エネルギー伝達のパラメータの監視、および予想された変化および観察された変化のエネルギー伝達のパラメータとの比較のための情報を交換するために用いてもよい。

特に示さない限り、本開示では、太陽電池パネル、太陽電池、光起電力素子、太陽電池パネルなどの用語を区別なく用いる。当業者であれば、様々なシステム構成が、本出願に記載の広範な太陽光発電システム設計および機能性によってサポートされ得ることを理解するであろう。

特に示さない限り、本開示では、無線エネルギー伝達、無線送電（power transfer）、無線電力伝送（power transmission）、および同様の用語を区別せずに用いる。当業者であれば、様々なシステム構成が、本出願に記載の広範な無線システム設計および機能性によってサポートされ得ることを理解するであろう。

本明細書に記載の無線エネルギー伝達システムでは、電力は、少なくとも２つの共振器の間で無線交換され得る。共振器は、エネルギーの、供給、受信、保持、伝達、および分散を行い得る。無線電力源は、電源または供給源と呼ばれ得、無線電力の受信器は、装置、受信器および電源負荷と呼ばれ得る。共振器は、供給源、装置、もしくは、同時に両方であり得るか、または、制御された方法で、１つの機能から別の機能に変わり得る。電力供給源または電力ドレインに有線接続されていないエネルギーを保持または分配するように構成された共振器は、中継器と呼ばれ得る。

本発明の無線エネルギー伝達システムの共振器は、共振器自体のサイズと比較して、長距離に渡って電力を伝達することが可能である。つまり、共振器のサイズが、共振器構造を囲む可能性のある最小球面の半径によって特性化される場合、本発明の無線エネルギー伝達システムは、共振器の特性サイズよりも長距離に渡って電力を伝達できる。このシステムは、共振器の間でエネルギー交換することが可能であり、共振器は異なる特性サイズを有し、かつ、共振器の誘導素子は、例えば異なるサイズ、異なる形状を有し、異なる材料から成る。

本発明の無線エネルギー伝達システムは、エネルギーが互いに離隔された共振物の間で伝達され得、それらが互いから様々な距離にあり得ること、および、それらが互いに相対的に移動し得ることを記述するために、結合領域、通電された領域またはボリューム（volume）を有するとして記述され得る。いくつかの実施形態では、そこを介してエネルギーを伝達できる領域またはボリュームは、アクティブな場領域またはボリュームと呼ばれる。さらに、無線エネルギー伝達システムは、各々が電源、電源負荷、その両方に結合され得るか、またはどちらにも結合されなくともよい３つ以上の共振器を含み得る。

無線供給されるエネルギーは、電気もしくは電子装置への電力供給、バッテリーの再充電、またはエネルギー貯蔵装置の充電のために使用され得る。１つまたは複数の装置が一定期間電力を受信した後に、電力供給を他の装置に切り替えら得るように、複数の装置が同時に充電もしくは電力供給されてもよく、または複数の装置への電力供給を順番に行ってもよい。様々な実施形態において、複数の装置は、１つもしくは複数の供給源からの電力を、１つもしくは複数の装置と、同時に、もしくは時分割多重化方式で、もしくは周波数多重化方式で、もしくは空間多重化方式で、もしくは配向的多重化方式で、または時分割および周波数および空間および配向的多重化の任意の組み合わせで、共有し得る。複数の装置は、継続的に、断続的に、定期的に、時々、または一時的に、無線電源として機能するように再構成されている少なくとも１つの装置によって、相互に電力を共有し得る。当業者は、本明細書に記載の技術および適用例に適用可能な、装置に対して電力供給および／または充電する様々な方法があることを理解するであろう。

本開示は、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、変圧器、スイッチ、および同類のものなどの特定の個々の回路部品および素子、これらの素子を回路網、トポロジー、回路および同類のものなどとして組み合わせたもの、ならびに、「自己共振（self-resonant）」物体など、容量またはインダクタンスが物体全体に渡って分散された（もしくは、一極集中とは対照的に、一部分散された）固有の特性を有する物体を参照する。回路または回路網内の可変コンポーネントを調整および制御することにより、その回路または回路網の性能を調整し得ること、および、それらの調整は、一般に、調整、調節、整合、補正などとして記述され得ることが、当業者には理解されるであろう。無線送電システムの動作点を調整または調節する他の方法は、単独で、または、インダクタおよびコンデンサなどの同調コンポーネント、もしくはインダクタおよびコンデンサのバンクの調整に加えて、使用され得る。当業者は、本開示で説明する特定のトポロジーが、他の様々な方法で実現できることを理解するであろう。

特に定義されない限り、本明細書で使用する技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。言及されるか、または参照により本明細書に組み込まれる公報、特許出願、特許および他の参考文献と矛盾する場合には、定義を含めて、本明細書が掌握する。

特に示さない限り、本開示では、無線エネルギー伝達（wireless energy transfer）、無線送電（wireless power transfer）、無線電力伝送（wireless power transmission）、および同様の用語を区別せずに用いる。当業者であれば、様々なシステム構成が、本出願に記載の広範な無線システム設計および機能性によってサポートされ得ることを理解するであろう。

前述したいずれの特徴も、本開示の範囲から逸脱することなく、単独または組み合わせて使用され得る。本明細書に記載するシステムおよび方法の他の特徴、目的、および利点は、以下の説明および図から明らかになるであろう。

無線エネルギー伝達構成のシステムブロック図である。図２Ａ〜図２Ｆは、単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。シングルエンド増幅器を備える無線供給源のブロック図である。差動増幅器を備える無線供給源のブロック図である。検出回路のブロック図である。検出回路のブロック図である。図６Ａ〜図６Ｃは、無線供給源のブロック図である。デューティサイクルの増幅器のパラメータへの影響を示すグラフである。スイッチング増幅器を備えた無線電源の簡略化回路図である。無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。図１１Ａ〜図１１Ｄは、無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。スイッチング増幅器および無線電源デバイスを有する無線電源を備える無線エネルギー伝達システムの簡略化回路図である。無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。磁性材料タイル間の不規則な間隔に起因する、起こり得る不均一な磁場分布を示す共振器の概略図である。磁性材料ブロック内のホットスポットを減少し得る磁性材料ブロックにおけるタイルの配列を備えた共振器である。図１７Ａは、細かい個別のタイルを含む磁性材料ブロックを備えた共振器であり、図１７Ｂおよび図１７Ｃは、熱管理のために使用される熱伝導材の追加の細長片を備えた共振器である。マルチ電源システムにおける通信およびエネルギー伝達の図である。図１９Ａ、図１９Ｂは、エネルギー検証方法を示す図である。いくつかの一体型共振器を備える太陽ＰＶパネルの図である。ケーブルにより装着された外部共振器を備える太陽ＰＶパネルの図である。無線送電による太陽ＰＶパネルを備える車両の図である。日傘の下の装置に電力を供給可能な無線電力共振器を有する太陽ＰＶパネルを備える日傘の図である。無線送電による屋上太陽ＰＶパネルの実施形態の図である。独立した共振器を備える屋上太陽ＰＶパネルシステムの図。パネル間の無線送電を用いる屋上太陽ＰＶパネルシステムの図である。いくつかの太陽ＰＶパネルから１つの共振器に無線で送電する接続細長片を用いる屋上太陽ＰＶパネルシステムの図である。図２８Ａは、一連のＰＶパネル用の回路モデルを示し、図２８Ｂは一般的なＰＶパネルの動作特性を示す。アレイ電流に対するアレイ電圧のグラフを示す。ＰＶパネル抵抗−電流特性を示す。図３１Ａ〜図３１Ｃは、ＰＶパネルに適合させた無線エネルギー伝達システムのブロック図を示す。互いに連結されたパネルの多重出力を示す図である。ＰＶパネルを備える無線エネルギー伝達システムの図である。ＰＶパネルを備える無線エネルギー伝達システムの増幅器の図である。増幅器が動作中の電圧−電流図である。増幅器が動作中の電圧−電流図である。無線供給源のインピーダンスの特性を示す。図３７Ａ、図３７Ｂは、無線供給源のインピーダンスの特性を示す。ＰＶセルを備える無線エネルギー伝達電源の図である。ＰＶパネルとともに用いる電源の調整手順を示す。ＰＶパネルを備える無線エネルギー伝達システムの図を示す。ＰＶパネルを備える無線エネルギー伝達システムの図を示す。無線エネルギー伝達により可能となるパッケージの図である。無線エネルギー伝達により可能となるパッケージの図である。無線エネルギー伝達により可能となるパッケージスタックの図である。離調（detuning）パッチによる無線エネルギー伝達により可能となるパッケージングの図である。無線エネルギー伝達により可能となるパッケージの図である。

前述のとおり、本開示は、結合電磁共振器を使用した無線エネルギー伝達に関する。しかし、かかるエネルギー伝達は、電磁共振器に限定されず、本明細書に記載の無線エネルギー伝達システムは、より一般的で、幅広い種類の共振器および共振物体を用いて実施され得る。

当業者には認識されるように、共振器ベースの送電に対して考慮すべき重要なこととして、共振器効率および共振器結合が挙げられる。例えば、結合モード理論（ＣＭＴ：coupled mode theory）、結合係数および因子、品質係数（Ｑ係数とも呼ばれる）、およびインピーダンス整合など、かかる問題の広範囲にわたる議論が、例えば、２０１０年９月２３日に米国特許出願公開第２０１００２３７７０９号として公開された、名称「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」の米国特許出願第１２／７８９，６１１号、および２０１０年７月２２日に米国特許出願公開第２０１００１８１８４３号として公開された、名称「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION」の米国特許出願第１２／７２２，０５０号で提示されている。上記出願は、本明細書に完全に記述されているかのごとく、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

「共振器」は、エネルギーを少なくとも２つの異なる形式で保存可能な共振構造として定義され得、そこで、保存されているエネルギーは、２つの形式の間で変動する。共振構造は、共振（モーダル）周波数ｆおよび共振（モーダル）場をもつ特定の振動モードを有する。角共振周波数ωは、ω＝２πｆと定義され得、共振周期Ｔは、Ｔ＝１／ｆ＝２π／ωと定義され得、かつ、共振波長λは、λ＝ｃ／ｆと定義され得、ここで、ｃは、関連する場の波（電磁共振器に対しては、光）の速度である。損失機構、結合機構または外部エネルギー供給もしくは排出機構がない場合は、共振器Ｗによって保存されるエネルギーの総量は、一定のままとなり得るが、エネルギーの形式は、その共振器でサポートされる２つの形式の間で変動し、その場合、１つの形式が最大のとき、他は最小であり、逆もまた同様である。

例えば、共振器は、保存されているエネルギーの２つの形式が磁気エネルギーおよび電気エネルギーであるように、構築され得る。さらに、共振器は、電場によって保存されている電気エネルギーが主として構造内に閉じ込められ、他方、磁場によって保存されている磁気エネルギーが主として共振器の周りを囲む領域に存在するように、構築され得る。言い換えれば、電気および磁気エネルギーの総量は等しいが、局所的には異なり得る。かかる構造を使用すると、少なくとも２つの構造間のエネルギー交換が、少なくとも２つの共振器の共振近傍磁界によって媒介され得る。これらのタイプの共振器は、「磁気共振器」と呼んでもよい。

無線送電システムで使用される共振器の重要なパラメータは、共振器の「品質係数」、または「Ｑ係数」、または「Ｑ」であり、それは、エネルギー減衰を特性化し、共振器のエネルギー損失に反比例する。このパラメータは、Ｑ＝ω＊Ｗ／Ｐと定義され得、ここで、Ｐは、定常状態で失われる時間平均電力である。すなわち、高Ｑをもつ共振器は比較的低い固有損失を有し、比較的長い時間、エネルギーを保存することができる。共振器は、その固有の減衰率２Γでエネルギーを失うため、そのＱ（その固有のＱとも呼ばれる）は、Ｑ＝ω／２Γで表される。品質係数は、振動周期の数Ｔも表し、それは、共振器内のエネルギーがｅ^−２πだけ減衰するのに要される。共振器の品質係数または固有の品質係数またはＱは、固有の損失機構のみに起因することに留意されたい。発電機に接続または結合された共振器のＱであるｇまたは負荷ｌは、「負荷品質係数（loaded quality factor）」または「負荷Ｑ」と呼ばれ得る。エネルギー伝達システムの一部とすることを意図していない無関係な物体の存在下での共振器のＱは、「摂動品質係数（perturbed quality factor）」または「摂動Ｑ」と呼ばれ得る。

それらの近接場の任意の部分を介して結合された共振器は、相互に作用し、エネルギーを交換し得る。このエネルギー伝達の効率は、共振器が実質的に同一の共振周波数で動作する場合、大幅に向上させることが可能である。限定するものではなく一例として、Ｑ_ｓをもつ供給源共振器、およびＱ_ｄをもつ装置共振器を想定する。高Ｑ無線エネルギー伝達システムは、高Ｑである共振器を利用し得る。各共振器のＱは、高い場合がある。共振器Ｑの幾何平均
も高いか、またはその代りに高い場合がある。

「結合係数」ｋは、
０≦｜ｋ｜≦１
の間の数であり、供給源および装置共振器がサブ波長の距離に置かれている場合、それらの共振周波数と無関係（または、ほとんど無関係）であり得る。むしろ、結合係数ｋは、相対的な幾何学形状および供給源共振器と装置共振器との間の距離によって主に決定され得、その際、それらの結合を媒介する場の物理的な減衰の法則が考慮に入れられる。ＣＭＴで使用される結合係数

は、共振器構造の他の特性と同様、共振周波数に深く関連する。共振器の近接場を利用する無線エネルギー伝達の適用例では、放熱によって失われる電力が減少するよう、共振器のサイズを共振波長よりもずっと小さくすることが望ましい。いくつかの実施形態では、高Ｑ共振器は、サブ波長構造である。いくつかの電磁実施形態では、高Ｑ共振器構造は、１００ｋＨｚよりも高い共振周波数を有するように設計される。他の実施形態では、共振周波数は、１ＧＨｚよりも低い。

例示的な実施形態では、これらのサブ波長共振器により、遠距離場に放射される電力は、共振器の共振周波数およびシステムの動作周波数を低下させることによってさらに減少し得る。他の実施形態では、遠距離場の放射は、遠距離場に破壊的に干渉するよう、２つ以上の共振器を遠距離場に配列することによって減少され得る。

無線エネルギー伝達システムでは、共振器は、無線エネルギー供給源、無線エネルギー捕捉装置、中継器またはそれらの組み合わせとして使用され得る。実施形態では、共振器は、エネルギーの伝達、エネルギーの受信またはエネルギーの中継を交互に行い得る。無線エネルギー伝達システムでは、振動近接磁場を生成するために、１つまたは複数の磁気共振器をエネルギー供給源に結合し、通電させてもよい。振動近接磁場内にある他の共振器は、これらの場を捕捉し、そのエネルギーを、有効なエネルギーの無線伝達を可能にする負荷に電力供給または充電するために使用され得る電気エネルギーに変換し得る。

有効なエネルギー交換におけるいわゆる「有効な」エネルギーは、許容可能な率で電力供給または充電を行うために、装置に供給する必要のあるエネルギーまたは電力である。有効なエネルギー交換に対応する伝達効率は、システムまたは適用例によって異なり得る。例えば、何キロワットもの電力を伝達する高出力車両充電の適用例は、伝達システムの様々なコンポーネントを著しく加熱することなく、車両バッテリーを再充電するのに十分な有効なエネルギー交換を実現する有効な量の電力を供給するために、少なくとも８０％の効率である必要があり得る。いくつかの家庭用電化製品の適用例では、有効なエネルギー交換は、１０％を超える任意のエネルギー伝達効率、または充電バッテリーを「満タン」に維持し、かつ、長時間に渡って動作するために許容可能な任意の他の量を含み得る。埋め込み型医療機器の用途では、有効なエネルギー交換は、患者に害を与えずに、バッテリーの寿命を延ばすか、またはセンサーもしくはモニターもしくは刺激装置を起動させる、任意の交換であり得る。かかる適用例では、１００ｍＷまたはそれ以下の電力が有効であり得る。分散センシングの用途では、マイクロワットレベルの送電が有効であり得、伝達効率は１％を大きく下回る可能性がある。

電力供給または再充電用途における無線エネルギー伝達のための有効なエネルギー交換は、浪費されるエネルギーレベル、熱放散、および関連する場の強度が許容範囲内であり、費用、重量、サイズ、および同類のものなどの関連要因と適切にバランスが取れている限り、効率的、非常に効率的、または十分に効率的であり得る。

共振器は、供給源共振器、装置共振器、第１の共振器、第２の共振器、中継器共振器などと呼ばれ得る。実施態様は、３つ以上の共振器を含み得る。例えば、単一の供給源共振器は、エネルギーを複数の装置共振器または複数の装置に伝達し得る。エネルギーは、第１の装置から第２の装置へ、次いで、第２の装置から第３の装置へ、というように伝達され得る。複数の供給源は、エネルギーを単一の装置、または単一の装置共振器に接続された複数の装置、または複数の装置共振器に接続された複数の装置に伝達し得る。共振器は、交互にまたは同時に、供給源、装置として機能し得、かつ／または共振器は、ある位置の供給源から別の位置の装置に電力を中継するために使用され得る。中間電磁共振器は、無線エネルギー伝達システムの距離範囲を拡張し、かつ／または集中近接磁場の領域を生成するために使用され得る。複数の共振器を互いにデイジーチェーンで接続してもよく、拡張された距離に渡り、様々な供給源および装置で、エネルギーを交換する。例えば、供給源共振器は、いくつかの中継器共振器を介して、電力を装置共振器に伝達し得る。供給源からのエネルギーは、第１の中継器共振器に伝達され得、第１の中継器共振器は、電力を第２の中継器共振器に伝送し得、そして、第２の中継器共振器は第３の中継器共振器に、といった具合に、最後の中継器共振器がそのエネルギーを装置共振器に伝達するまで伝達し得る。この点において、無線エネルギー伝達の範囲および距離は、中継器共振器を追加することにより、拡張および／または適応させ得る。高電力レベルは、複数の供給源の間で分割され、複数の装置に伝達され、遠く離れた位置で再結合され得る。

共振器は、結合モード理論モデル、回路モデル、電磁場モデルなどを使用して設計され得る。共振器は、調節可能な特性サイズを有するように設計され得る。共振器は、異なる電力レベルを処理するように設計され得る。例示的な実施形態では、高出力共振器は、低出力共振器より大きな導体およびより大きな電流または電圧の定格コンポーネントを必要とし得る。

図１は、無線エネルギー伝達システムの例示的な構成および配置の概略図を示す。無線エネルギー伝達システムは、エネルギー（供給）源１０２および随意でセンサーおよび制御装置１０８に結合された、少なくとも１つの供給源共振器（Ｒ１）１０４（随意でＲ６、１１２）を含み得る。エネルギー源は、供給源共振器１０４を駆動するために使用され得る電気エネルギーに変換できる、任意のタイプのエネルギー源であり得る。エネルギー源は、バッテリー、太陽電池パネル、商用電源（electrical main）、風力または水力タービン、電磁共振器、発電機、および同類のものであり得る。磁気共振器の駆動に使用される電気エネルギーは、共振器によって振動磁場に変換される。振動磁場は、随意でエネルギードレイン１１０に結合される装置共振器（Ｒ２）１０６、（Ｒ３）１１６であり得る他の共振器によって捕捉され得る。振動磁場は、無線エネルギー伝達領域を拡張または適応させるように構成される中継器共振器（Ｒ４、Ｒ５）に随意で結合され得る。装置共振器は、供給源共振器、中継器共振器および他の装置共振器の近傍の磁場を捕捉し、それらを、エネルギードレインによって使用され得る電気エネルギーに変換し得る。エネルギードレイン１１０は、電気エネルギーを受信するように構成された、電気、電子、機械または化学装置などであってもよい。中継器共振器は、供給源、装置および中継器共振器の近傍の磁場を捕捉し得、そのエネルギーを他の共振器に送り得る。

無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源１０２に結合された単一の供給源共振器１０４およびエネルギードレイン１１０に結合された単一の装置共振器１０６を含み得る。実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、１つまたは複数のエネルギー源に結合された複数の供給源共振器を含み得、１つまたは複数のエネルギードレインに結合された複数の装置共振器を含み得る。

実施形態では、エネルギーは、供給源共振器１０４と装置共振器１０６との間で直接伝達され得る。他の実施形態では、エネルギーは、１つまたは複数の供給源共振器１０４、１１２から１つまたは複数の装置共振器１０６、１１６へ、装置共振器、供給源共振器、中継器共振器などであり得る任意の数の中間共振器を介して、伝達され得る。エネルギーは、トークンリング、メッシュ、アドホック、および同類のものなどのトポロジーの任意の組み合わせで配列されたサブ回路網１１８、１２０を含み得る共振器１１４の回路網または配列を介して、伝達され得る。

実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、集中型の検出・制御システム１０８を含み得る。実施形態では、共振器のパラメータ、エネルギー源、エネルギードレイン、回路網トポロジー、動作パラメータなどが、システムの特定の動作パラメータを満足するよう、制御プロセッサから監視および調整され得る。中央制御プロセッサは、システムの個々のコンポーネントのパラメータを調整することにより、例えば大域的なエネルギー伝達効率を最適化し得、伝達する電力量を最適化し得る。他の実施形態は、実質的に分散されている検出・制御システムを有するように設計され得る。検出および制御は、各共振器または共振器の集合、エネルギー源、エネルギードレインなどに組み込んでもよく、例えば、供給される電力を最大限にするために集合内の個々のコンポーネントのパラメータを調整するように、かつその集合内のエネルギー伝達効率を最大限にするように構成され得る。

実施形態では、無線エネルギー伝達システムのコンポーネントは、装置、供給源、中継器、電源、共振器、および同類のものなど、他のコンポーネントに対する無線または有線データ通信リンクを有し得、分散型または集中型の検出および制御を可能にするために使用可能なデータの送信および受信を行い得る。無線通信チャネルは、無線エネルギー伝達チャネルとは別個であってもよく、または同一であってもよい。一実施形態では、電力交換に使用される共振器は、情報を交換するためにも使用され得る。場合によっては、情報は、供給源または装置回路内のコンポーネントを調節すること、およびポートパラメータまたは他の監視装置でその変化を検出することにより交換され得る。共振器は、共振器のインピーダンスなどの共振器パラメータを調整、変更、変化、ディザリングなどを行うことにより、相互に信号を送り得、それによりシステム内の他の共振器の反射インピーダンスに影響を及ぼし得る。本明細書に記載のシステムおよび方法は、無線送電システム内の共振器間での電力および通信信号の同時伝送を可能にし得るか、または無線エネルギー伝達中に使用される同一の磁場を使用して、異なる期間中に、もしくは異なる周波数で、電力および通信信号の伝送を可能にし得る。他の実施形態では、無線通信は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外線などの別個の無線通信チャネルで可能となりうる。

実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、複数の共振器を含み得、全体的なシステム性能は、システム内の様々な素子を制御することにより改善され得る。例えば、低消費電力の装置は、それらの共振周波数が、高消費電力の装置に電力を供給する高電源の共振周波数から離れるよう調整し得る。このようにして、低および高電源デバイスは、安全に動作するか、または単一の高電源から充電し得る。さらに、充電ゾーン内の複数の装置は、先着順サービス、ベストエフォート型、保証電力（Guaranteed Power）など、様々な消費制御アルゴリズムのうちの任意のものに従って調節された、それらの装置で利用可能な電力を見つけ得る。電力消費アルゴリズムは、特定のユーザーまたは装置のタイプに優先権を与え、本来は階層的であるか、または供給源内で利用可能な電力を等分することにより任意の数のユーザーをサポートし得る。電力は、本開示に記述するいずれかの多重化技術によって共有され得る。

実施形態では、形状、構造、および構成の組み合わせを使用して、電磁共振器が実現または実施され得る。電磁共振器は、誘導素子、分布インダクタンス、または総インダクタンスＬをもつインダクタンスの組み合わせ、および容量性素子、分布容量、または総容量Ｃをもつ容量の組み合わせを含み得る。容量、インダクタンスおよび抵抗を含む電磁共振器の最小回路モデルを図２Ｆに示す。共振器は、誘導素子２３８および容量性素子２４０を含み得る。コンデンサ２４０に貯蔵された電場エネルギーなど、初期エネルギーが供給されると、システムは、コンデンサが伝達するエネルギーをインダクタ２３８に貯蔵される磁場エネルギーに放出すると振動し、一方インダクタは、エネルギーを、コンデンサ２４０に貯蔵される電場エネルギーに伝達して戻す。これらの電磁共振器における固有損失は、誘導および容量性素子における抵抗ならびに放射損失に起因する損失を含み、図２Ｆ内で抵抗Ｒ２４２によって表される。

図２Ａは、例示的な磁気共振器構造の簡略図を示す。磁気共振器は、誘導素子２０２として機能する導体のループを含み、導体ループの終端に容量性素子２０４を含み得る。電磁共振器のインダクタ２０２およびコンデンサ２０４は、バルク回路素子であり得るか、またはインダクタンスおよび容量は分散され得、導体が構造内で形成、成形、または位置付けられる方法によって生じ得る。

例えば、インダクタ２０２は、図２Ａに示すように、表面領域を囲むように導体を成形することによって実現され得る。このタイプの共振器は、容量性負荷ループインダクタと呼ばれ得る。なお、「ループ」または「コイル」という用語を用いて、基本的に、任意の数の回転で、任意の形状および寸法の表面を囲む、導電構造（線、管、細長片など）を示す。図２Ａでは、囲まれた表面領域が円形であるが、表面は任意の広範な他の形状およびサイズであり得、特定のシステム性能仕様を達成するように設計され得る。実施形態では、インダクタンスは、インダクタ素子、分布インダクタンス、回路網、アレイ、インダクタおよびインダクタンスの直列および並列の組み合わせなどを使用して、実現され得る。インダクタンスは、固定または可変であり得、共振周波数動作条件と同様に、インピーダンス整合を変えるために使用され得る。

共振器構造に求められる共振周波数を達成するために必要な容量を実現する様々な方法がある。コンデンサ極板２０４は、図２Ａに示すように形成され、利用され得るか、または容量を、マルチループ導体の隣接する巻線間に分散させて実現し得る。容量は、コンデンサ素子、分布容量、回路網、アレイ、容量の直列および並列の組み合わせなどを使用して、実現され得る。容量は、固定または可変であり得、共振周波数動作条件と同様に、インピーダンス整合を変えるために使用され得る。

磁気共振器で使用される誘導素子は、２つ以上のループを含み得、内側へまたは外側へまたは上方へまたは下方へまたはいくつかの方向の組み合わせで螺旋を形成し得る。一般に、磁気共振器は、様々な形状、サイズおよび巻数を持ち得、また、様々な導体材料から構成され得る。例えば、導体２１０は、ワイヤー、リッツ線、リボン、パイプ、導電性のインク、ペンキ、ジェルなどから形成された配線、または回路基板上にプリントされた単一もしくは複数の配線から形成された配線であり得る。誘導ループを形成する回路基板２０８上の配線パターンの例示的な実施形態を図２Ｂに示す。

実施形態では、誘導素子は、任意のサイズ、形状、厚さなどの磁性材料を用いて形成され得、かつ広範な透磁率および損失値をもつ材料から成り得る。これらの磁性材料は、固形物であり得、中空容積を囲み、並べられるかまたは積み重ねられた、多数の磁性材料の細かい断片から形成され得、そして、それらは、高導電性材料から作られた導電性シートまたは筐体と一体化され得る。導体は、磁性材料に巻き付けられて磁場を生成し得る。これらの導体は、その構造の１つまたは２つ以上の軸に巻き付けられ得る。複数の導体は、カスタマイズされた近接場パターンを形成するためおよび／または構造の双極子モーメントを正しい方向に向けるために、磁性材料に巻き付けられ、並列接続で、または直列で、またはスイッチで連結され得る。磁性材料を含む共振器の例を図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅに示す。図２Ｄでは、共振器は、導体２２４のループの軸に平行な磁気双極子モーメント２２８を有する構造を作る磁性材料２２２のコアに巻かれた導体のループ２２４を含む。共振器は、磁性材料２１４に直交方向に巻かれた複数の導体のループ２１６、２１２を含み得、導体がどのように駆動されるかに応じて、図２Ｃに示すように２つ以上の方向に向けられ得る磁気双極子モーメント２１８、２２０を有する共振器を形成する。

電磁共振器は、その物理的特性によって定義される特徴的な、固有の、または共振の周波数を有し得る。この共振周波数は、共振器によって保存されたエネルギーが、共振器の電場Ｗ_Ｅ（Ｗ_Ｅ＝ｑ^２／２Ｃ、式中ｑは、コンデンサ上の電荷であり、Ｃは静電容量である）によって保存されたエネルギーと共振器の磁場Ｗ_Ｂ（Ｗ_Ｂ＝Ｌｉ^２／２、式中ｉは、インダクタを流れる電流であり、Ｌはインダクタンスである）によって保存されたエネルギーとの間で変動する周波数である。このエネルギーが交換される周波数は、共振器の特性周波数、固有周波数、または共振周波数と呼ばれ得、ωによって表される：
容共振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスＬ、および／または容量Ｃを調整することによって変更され得る。一実施形態では、システムパラメータは、最適な動作条件にできるだけ近づけるため、動的に調節または調整可能である。しかし、前述した考察を踏まえれば、いくつかのシステムパラメータが可変でないか、またはコンポーネントが動的に調節できない場合であっても、十分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。

実施形態では、共振器は、コンデンサおよび回路素子の回路網内に配置される２つ以上のコンデンサに結合された誘導素子を含み得る。実施形態では、コンデンサおよび回路素子の結合回路網を、共振器の２つ以上の共振周波数を定義するために使用してもよい。実施形態では、共振器は、２つ以上の周波数で、共振、または部分的に共振し得る。

実施形態では、無線電源は、電力供給源に結合された少なくとも１つの共振器コイルを含み得、それは、クラスＤ増幅器またはクラスＥ増幅器またはそれらの組み合わせなどのスイッチング増幅器であってもよい。この場合、共振器コイルは、事実上、電力供給源に対する電源負荷である。実施形態では、無線電源デバイスは、電源負荷に結合された少なくとも１つの共振器コイルで構成され得、その電源負荷は、クラスＤ整流器またはクラスＥ整流器またはそれらの組み合わせなどのスイッチング整流器であってもよい。この場合、共振器コイルは、事実上、電源負荷に対する電力供給源であり、その負荷のインピーダンスは、共振器コイルからの負荷の動作対排出の比率にも直接関連する。電力供給源と電源負荷との間の送電効率は、電源の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどのくらい厳密に合致しているかによって影響され得る。電力は、負荷の入力インピーダンスが電力供給源の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大可能効率で負荷に供給され得る。最大送電効率を得るための電力供給源または電源負荷の設計は、しばしば「インピーダンス整合」と呼ばれ、システムにおける有効対損失電力の比率の最適化とも呼ばれ得る。インピーダンス整合は、電力供給源と電源負荷との間にインピーダンス整合回路網を形成するために、コンデンサ、インダクタ、変圧器、スイッチ、抵抗、および同類のものなどの回路網または素子集合を追加することによって、行われ得る。実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整および変更を用いてインピーダンス整合を達成し得る。変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網は、負荷に向けた電力供給端子におけるインピーダンスおよび電力供給の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいても、実質的に互いの複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含み得る。

実施形態では、インピーダンス整合は、電力供給源の駆動信号のデューティサイクル、および／もしくは位相、および／もしくは周波数を調整することにより、またはコンデンサなど、電力供給源内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、または、例えば、より少ない調整可能コンポーネントを有するような簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網を用いて、電力供給源と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利であり得る。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および／または周波数、および／または位相を電力供給源に合わせると、拡張した同調範囲または精度、より大きな電力、電圧および／または電流能力、より高速な電子制御、より少ない外部コンポーネントなどを備えた動的インピーダンス整合システムをもたらし得る。

いくつかの無線エネルギー伝達システムでは、インダクタンスなどの共振器のパラメータは、周囲の物体、温度、配向、他の共振器の数および位置などの環境条件に影響され得る。共振器の動作パラメータにおける変更により、無線エネルギー伝達における送電効率など、特定のシステムパラメータが変更され得る。例えば、共振器の近くに位置する高伝導性材料は、共振器の共振周波数をシフトさせ、他の共振物体からそれを離調し得る。いくつかの実施形態では、リアクタンス素子（例えば、誘導素子または容量性素子）を変更することによりその周波数を修正する共振器フィードバック機構を採用する。許容可能な整合条件を達成するために、少なくともいくつかのシステムパラメータが動的に調節可能または調整可能であることが必要な場合がある。ほぼ最適な動作条件を達成するために、すべてのシステムパラメータが動的に調節可能または調整可能であってもよい。ただし、十分に効率的なエネルギー交換は、すべてまたはいくつかのシステムパラメータが可変でなくとも実現し得る。いくつかの例では、少なくともいくつかの装置は、動的に調整可能でない可能性がある。いくつかの例では、少なくともいくつかの供給源は、動的に調整可能でない可能性がある。いくつかの例では、少なくともいくつかの中間共振器は、動的に調整可能でない可能性がある。いくつかの例では、いずれのシステムパラメータも動的に調整可能でない可能性がある。

いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータの変化は、動作環境または動作点の際に変化を受けると、補足的または逆の状態もしくは方向に変わる特性をもつコンポーネントを選択することにより、軽減され得る。実施形態では、システムは、温度、電力レベル、周波数などに起因する逆依存（opposite dependence）またはパラメータ変動を有する、コンデンサなどのコンポーネントを用いて設計され得る。いくつかの実施形態では、温度の関数としてのコンポーネント値がシステムマイクロコントローラ内の参照用テーブルに保存され得、温度センサーからの読出しを、システム制御フィードバックループで使用することにより、温度によって誘発されたコンポーネント値の変化を補償して他のパラメータを調整し得る。

いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータ値における変化が、調整可能コンポーネントを含む能動調整回路で補償され得る。コンポーネントおよびシステムの動作環境および動作点を監視する回路を、設計において一体化してもよい。監視回路は、コンポーネントのパラメータにおける変化を能動的に埋め合わせるために必要な信号を供給し得る。例えば、温度の読取りによって、システムの容量における予期される変化を計算し、または、以前に測定されたその容量の値を示してもよく、他のコンデンサに切り替えるか、またはコンデンサを調整することによって補償し、温度範囲にわたって所望の容量を維持することが可能になる。実施形態では、ＲＦ増幅器スイッチング波形を、システム内のコンポーネント値または負荷変化を補償するように調整してもよい。いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータにおける変化は、能動冷却、加熱、能動的な環境調整などを用いて補償され得る。

パラメータ測定回路は、システム内の特定の電力、電圧、および電流、ならびに信号を測定または監視し得、プロセッサまたは制御回路は、それらの測定値に基づいて特定の設定または動作パラメータを調節し得る。さらに、システム全体にわたる、電圧および電流信号の振幅および位相、ならびに電力信号の振幅にアクセスして、システム性能を測定または監視し得る。本開示全体で言及される測定信号は、電圧信号、電流信号、電力信号、温度信号等のみならず、ポートパラメータ信号の任意の組み合わせであってもよい。これらのパラメータは、アナログおよびデジタル技術を用いて測定され得、それらはサンプリングおよび処理され得、いくつかの既知のアナログおよびデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換され得る。実施形態では、特定の測定量の既定値がシステムコントローラまたは記憶域に読み込まれ、様々なフィードバックおよび制御ループで使用される。実施形態では、測定、監視、および／または事前設定された信号の組み合わせを、フィードバック回路またはシステムに用いて、共振器および／またはシステムの動作を制御してもよい。

調整アルゴリズムを用いて、磁気共振器の周波数Ｑおよび／またはインピーダンスを調節してもよい。そのアルゴリズムは、システムに対する所望の動作点からの偏差に関する基準信号を入力として受け取り、システムの可変または調整可能な素子を制御するその偏差に関する修正または制御信号を出力することにより、システムを所望の動作点（または複数の動作点）に復帰させうる。磁気共振器用の基準信号は、共振器が無線送電システム内で電力を交換する間に、取得され得るか、またはシステム動作中に回路から切り替えられ得る。システムに対する補正は、例えば継続的に、定期的に、閾値超過後に、デジタル方式で、アナログ方式などで、適用または実行され得る。

実施形態では、損失の多い異物および物体が、無線送電システムの共振器の磁気および／または電気エネルギーを吸収することにより、効率が低下する可能性が生じうる。これらの影響は、損失の多い異物および物体の影響を最小限にするように共振器の位置を決定すること、および構造的な場成形素子（例えば、導電性の構造、板、およびシート、磁性材料構造、板、およびシート、ならびにそれらの組み合わせ）をそれらの効果が最小限になるように配置することによって、様々な実施形態で軽減され得る。

損失の多い材料が共振器に与える影響を低下させる１つの方法は、高伝導性材料、磁性材料、またはそれらの組み合わせを用いて、損失性物体を回避するように共振器場を成形することである。例示的な実施形態では、高伝導性材料および磁性材料の層状構造により、共振器の電磁場に調整、成形、配向、再配向などを行ってその電磁場を偏向させることにより、それらの近傍の損失性物体を回避しうる。図２Ｄは、磁性材料の下に導体シート２２６を有する共振器の上面図を示し、磁性材料を用いて共振器の場を調整することにより、導体シート２２６の下に存在し得る損失性物体を回避し得る。良導体の層またはシート２２６は、銅、銀、アルミニウムなどの、任意の高伝導性材料を含んでもよく、これらは所与の適用例に最も適している可能性がある。特定の実施形態では、良導体の層またはシートは、共振器の動作周波数における導体の浸透深さよりも厚い。導体シートは、好ましくは、共振器のサイズよりも大きく、共振器の物理的な存在範囲を超えて延在し得る。

送伝される電力の量が、アクティブな場に侵入し得る人または動物に対して安全上の問題を示し得る環境およびシステムでは、安全対策をシステムに含んでもよい。電力レベルが特別な安全対策を必要とする実施形態では、共振器のパッケージング、構造、材料などの設計を、磁気共振器内の誘導ループからの間隔または「隔離」区域をもたらすよう行ってもよい。さらなる保護を可能にするために、高Ｑ共振器ならびに電力および制御回路は、高い電圧または電流を筐体内に制限し、かつ、共振器および電気部品を、天候、湿度、砂、埃、および他の外部要素、ならびに衝突、振動、擦れ、爆発、および他のタイプの機械的衝撃から保護する、筐体内に配置され得る。かかる筐体は、電気部品および共振器に対する許容可能な動作温度範囲を維持するための熱散逸など、様々な要因に対する注意を必要とする。実施形態では、筐体は、複合材料、プラスチック、木材、コンクリート、および同類のものなどの非損失性材料で構築してもよく、これらを用いて、共振器コンポーネントに対する損失性物体からの距離を最小限にしてもよい。金属物体、塩水、油などを含み得る損失性物体または環境からの分離距離を最小限にすることにより、無線エネルギー伝達の効率を向上させ得る。実施形態では、共振器または共振器のシステムの摂動Ｑを増加させるために、「隔離」区域を用いてもよい。実施形態では、分離距離を最小限にすることにより、より信頼性が高く、またはより安定した共振器の動作パラメータをもたらし得る。

実施形態では、共振器ならびに共振器それぞれのセンサーおよび制御回路は、他の電子および制御システムならびにサブシステムと様々なレベルで一体化し得る。いくつかの実施形態では、電力および制御回路ならびに装置共振器は、完全に別個のモジュール、または既存のシステムに最小限で一体化する筐体であってもよく、電力出力および制御ならびに診断インタフェースをもたらす。いくつかの実施形態では、装置は、共振器および回路アセンブリを筐体内部の空洞部に収容するように構成されるか、または装置のハウジングまたは筐体に一体化される。

共振器回路例
図３および図４は、無線エネルギー伝達システムの例示的な供給源のための発電、監視、および制御コンポーネントを示すハイレベルブロック図である。図３は、ハーフブリッジのスイッチング電力増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含む供給源のブロック図である。図４は、フルブリッジのスイッチング増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含む供給源のブロック図である。

図３に示すハーフブリッジのシステムトポロジーは、制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどであり得る。処理装置は、単一の装置であってもよく、または装置の回路網であってもよい。制御アルゴリズムは、処理装置の任意の部分上で実行され得る。アルゴリズムは、特定の用途のためにカスタマイズし得、アナログおよびデジタル回路ならびに信号の組み合わせを含み得る。マスターアルゴリズム（master algorithm）は、電圧信号およびレベル、電流信号およびレベル、信号位相、デジタルカウント設定などを測定および調整し得る。

システムは、無線通信回路３１２に結合された、随意の供給源／装置および／または供給源／他の共振器通信制御装置３３２を含み得る。随意の供給源／装置および／または供給源／他の共振器通信制御装置３３２は、マスター制御アルゴリズムを実行する同一の処理装置の一部であってもよく、マイクロコントローラ３０２内の一部または回路であってもよく、無線送電モジュールの外部にあってもよく、有線で電力供給されるかまたはバッテリーで電力供給される用途で使用される通信コントローラと実質的に類似しているが、無線送電を強化またはサポートするいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合されてもよい。

システムは、少なくとも２つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合されたＰＷＭ発生器３０６を含み得、制御アルゴリズムによって制御され得る。２つのトランジスタゲートドライバ３３４は、インピーダンス整合回路網コンポーネント３４２を介して供給源共振器コイル３４４を駆動する２つのパワートランジスタ３３６に、直接またはゲート駆動変圧器を経由して結合され得る。パワートランジスタ３３６は、調整可能な直流供給源３０４に結合されて電力供給され得、調整可能な直流供給源３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御され得、マイクロコントローラ３０２または他の集積回路の一部であるか、またはそれに一体化され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用され得る調整可能な直流供給源３０４の電圧出力を制御し得る。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器３０６は負荷を通過する電流の波形と増幅器から出力される電力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用され得るパワートランジスタ３３６のスイッチング時間との間の位相角を制御しうる。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器３０６はスイッチ閉鎖時間のデューティサイクルを制御して、その増幅器から出力される電力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御してもよい。

システムは、信号を、例えば、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器に入力する前に、成形、変形、フィルタリング、処理、バッファリングなどを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８、３２０を含む、検出および測定回路を含み得る。ＡＤＣ３１４、３１６などのプロセッサおよび変換器は、マイクロコントローラ３０２に一体化されてもよく、または、処理コア３３０に結合され得る別個の回路であってもよい。測定信号に基づき、制御アルゴリズム３２８は、ＰＷＭ発生器３０６、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓコントローラ３２６、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８、３２０、変換器３１４、３１６、共振器コイル３４４の動作を発生、制限、開始、停止（extinguish）、制御、調整、または変更し得、マイクロコントローラ３０２の一部であるか、それに組み込まれるか、または別個の回路であり得る。インピーダンス整合回路網３４２および共振器コイル３４４は、本明細書に記載のように、コンデンサ、スイッチ、インダクタ、および同類のものなどの、電気的に制御可能、可変、または調整可能なコンポーネントを含み得、これらのコンポーネントは、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８から受信した信号に従って、それらのコンポーネント値または動作点が調整され得る。コンポーネントは調整して、共振器に供給された電力と共振器によって供給された電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器および任意の他の結合されたシステムのＱなどを含む、共振器の動作および特性を調節し得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組み合わせを含む平面共振器を含め、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器であり得る。

図４に示すフルブリッジのシステムトポロジーは、マスター制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、および同類のものであり得る。システムは、無線通信回路３１２に結合された、供給源／装置および／または供給源／他の共振器通信回路３３２を含み得る。供給源／装置および／または供給源／他の共振器通信回路３３２は、マスター制御アルゴリズムを実行する同一の処理装置の一部であり得、マイクロコントローラ３０２内の一部または回路であり得、無線送電モジュールの外部にあり得、有線で電力供給されるかまたはバッテリーで電力供給される用途で使用される通信コントローラと実質的に類似し得るが、無線送電を強化またはサポートするためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合され得る。

システムは、マスター制御アルゴリズムで生成された信号によって制御され得る、少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合された少なくとも２つの出力部をもつＰＷＭ発生器４１０を含み得る。４つのトランジスタゲートドライバ３３４は、４つのパワートランジスタ３３６に、直接または、インピーダンス整合回路網３４２を介して供給源共振器コイル３４４を駆動し得るゲート駆動変圧器を経由して結合され得る。パワートランジスタ３３６は、調整可能な直流供給３０４に結合されて電力供給され得、調整可能な直流供給３０４は、マスター制御アルゴリズムによって制御され得るＶｂｕｓコントローラ３２６によって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用され得る調整可能な直流供給３０４の電圧出力を制御し得る。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器４１０は負荷を通過する電流の波形と増幅器から出力される電力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用され得るパワートランジスタ３３６のスイッチング時間との間の２つのハーフブリッジの相対的な位相角を制御しうる。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器４１０はスイッチ閉鎖時間のデューティサイクルを制御して、その増幅器から出力される電力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御してもよい。

システムは、信号を、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器に入力する前に、成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリングを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８、３２０ならびに差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４を含む、検出および測定回路を含み得る。ＡＤＣ３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込まれ得るか、または、処理コア３３０に結合され得る別個の回路である得る。測定信号に基づき、マスター制御アルゴリズムは、ＰＷＭ発生器４１０、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓコントローラ３２６、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８、３２０、差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４、変換器３１４、３１６、共振器コイル３４４を生成、制限、開始、除去、制御、調整、または変更し得、マイクロコントローラ３０２の一部であるか、それに組み込まれるか、または別個の回路であり得る。

インピーダンス整合回路網３４２および共振器コイル３４４は、本明細書に記載のように、コンデンサ、スイッチ、インダクタ、および同類のものなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能なコンポーネントを含み得、これらのコンポーネントは、供給源インピーダンス整合コントローラ３３８から受信した信号に従って、それらのコンポーネント値または動作点を調整し得る。コンポーネントは、共振器に供給された電力と共振器によって供給された電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器および任意の他の結合システムのＱなどの、共振器の動作および特性の調節を可能にするように調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組み合わせを含む平面共振器を含む、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器であり得る。

インピーダンス整合回路網は、コンデンサ、インダクタ、および本明細書に記載のコンポーネントの回路網などの、固定値コンポーネントを含み得る。インピーダンス整合回路網の部分Ａ、Ｂ、およびＣは、インダクタ、コンデンサ、変圧器、および本明細書に記載するような、かかるコンポーネントの直列および並列の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合回路網の部分Ａ、Ｂ、およびＣは、空であり得る（短絡している場合がある）。いくつかの実施形態では、部分Ｂは、インダクタおよびコンデンサの直列の組み合わせを含み、部分Ｃは空である。

フルブリッジトポロジーは、同等なハーフブリッジ増幅器と同じＤＣバス電圧を使用して、より高い出力電力レベルでの動作を可能にし得る。図３のハーフブリッジの例示的なトポロジーは、シングルエンド駆動信号を供給し得るが、他方、図４の例示的なフルブリッジトポロジーは、差動駆動信号を供給源共振器３０８に供給し得る。インピーダンス整合トポロジーおよびコンポーネントならびに共振器構造は、本明細書に記載のように、２つのシステムによって異なり得る。

図３および図４に示す例示的なシステムは、供給源増幅器内のマイクロコントローラのシャットダウンを引き起こすよう、または増幅器の動作を変更もしくは中断するよう使用され得る、故障検出回路３４０をさらに含み得る。この保護回路は、増幅器の反流、直流供給３０４からの増幅器バス電圧（Ｖｂｕｓ）、供給源共振器３０８および／もしくは随意の同調板にわたる電圧、またはシステム内のコンポーネントに損傷を生じ得るか、もしくは望ましくない動作状態を生じさせ得る任意の他の電圧または電流信号を監視するための１つの高速比較器または複数の比較器を含み得る。好ましい実施形態は、異なる用途に関連して望ましくない可能性のある動作モードによって決まり得る。いくつかの実施形態では、保護回路が構築されないか、または回路が実装されない可能性がある。いくつかの実施形態では、システムおよびコンポーネント保護は、マスター制御アルゴリズムならびに他のシステム監査および制御回路の一部として実施され得る。実施形態では、専用故障回路３４０は、システムシャットダウン、出力電力の減少（例えば、Ｂｂｕｓの減少）、ＰＷＭ発生器に対する変更、動作周波数の変化、同調素子に対する変更、または動作点モードを調整するため、システム性能を向上させるため、および／もしくは保護を可能にするために、制御アルゴリズム３２８によって実施され得る任意の他の合理的な動作を引き起こし得るマスター制御アルゴリズム３２８に結合された出力（図示せず）を含み得る。

図３および図４に示す例示的なシステムは、スイッチに供給される直流（またはゆっくりと変化する交流）電力が、変化する電力および／または出力インピーダンスを有する電源からのものであるよう構成し得る。例えば、直流供給源３０４は、バッテリー充電状態の関数としていずれも変化する出力電圧および出力抵抗をもつバッテリーを含みうる。あるいは、直流供給源３０４は、太陽の照度および温度などの環境条件の関数として変化しうる電圧および／または電流を有する太陽電池パネルを含みうる。実施形態では、Ｖｂｕｓ制御器３２６は、可変電源の出力インピーダンスの調整を可能にし、その結果、効率的な無線エネルギー伝達が可能となる。他の実施形態では、ＰＷＭ信号発生器は、トランジスタ３３６を切り替えるための位相角の調節を可能にし、これにより、可変電源から最適な電力を抽出することが可能となる。例えば、増幅器の入力インピーダンスが可変電源の出力インピーダンスと適合するようにスイッチング時間を選択し得る。他の実施形態では、例えば太陽電池パネルについては、太陽電池パネルからのエネルギー抽出を最大化する太陽電池パネルの出力にインピーダンスが与えられるようスイッチング時間を選択し得る。当業者であれば、この一般的な原理が、風力発電機、熱電発電機、水力発電機、燃料電池、バッテリーなどを含む他の可変電力供給源に当てはまることを理解するであろう。

本明細書に記載のとおり、無線送電システム内の供給源は、マスター制御アルゴリズムの一部であり得るシステム制御ループに対して誤りまたは制御信号として供給源共振器コイル３４４を駆動させるインピーダンス整合回路網３４２の入力インピーダンスの測定値を使用し得る。例示的な実施形態では、３つのパラメータの任意の組み合わせを変化させることにより、環境条件における変化、結合における変化、装置電力需要における変化、モジュール、回路、コンポーネントまたはサブシステム性能における変化、システム内の供給源、装置、または中継器の数の増加または減少、ユーザー主導の変化などを補償するように、無線電力供給源を調整し得る。例示的な実施形態では、増幅器デューティサイクルに対する変化、可変コンデンサおよびインダクタなどの可変電気部品のコンポーネント値に対する変化、およびＤＣバス電圧に対する変化を用いて無線供給源の動作点または動作範囲を変更し、かつ特定のシステム動作値を向上し得る。異なる用途に対して適用された制御アルゴリズムの詳細は、所望のシステム性能および動作に応じて変わり得る。

本明細書に記載し、図３および図４に示すようなインピーダンス測定回路は、２チャネル同時サンプリングＡＤＣを使用して実装され得、これらのＡＤＣは、マイクロコントローラチップに組み込まれ得るか、または別個の回路の一部であり得る。供給源共振器のインピーダンス整合回路網への入力および／または供給源共振器における入力の電圧および電流信号の同時サンプリングにより、電流および電圧信号の位相および振幅情報をもたらし得、既知の信号処理技術を用いて処理されることにより、複素インピーダンスパラメータをもたらし得る。いくつかの実施形態では、電圧信号のみまたは電流信号のみの監視で十分である場合がある。

本明細書に記載のインピーダンス測定は、他のいくつかの既知のサンプリング方法よりも相対的に単純であり得る直接サンプリング法を使用し得る。実施形態では、測定された電圧および電流信号は、ＡＤＣに入力される前に、フィルタリング／バッファリング回路によって調整、フィルタリングおよびスケーリングされ得る。実施形態では、フィルタリング／バッファリング回路は、様々な信号レベルおよび周波数で動作するように調整可能であり得、フィルター波形および幅などの回路パラメータが、手動により、電子的に、自動的に、制御信号に応答して、マスター制御アルゴリズムによって、および同類のもので調整され得る。フィルタリング／バッファリング回路の例示的な実施形態を図３、図４、および図５に示す。

図５は、フィルタリング／バッファリング回路で使用され得る例示的な回路コンポーネントのより詳細な図を示す。実施形態において、かつシステム設計で使用されるＡＤＣのタイプに応じて、シングルエンド増幅器トポロジーは、差動からシングルエンド信号フォーマットに変換するハードウェアを不要にすることにより、システム、サブシステム、モジュールおよび／またはコンポーネント性能を特性化するために使用されるアナログ信号測定経路の複雑さを低減し得る。他の実施形態では、差動信号フォーマットが望ましい場合がある。図５に示す実施態様は例示的なものであり、本明細書に記載する機能を実施する唯一可能な方法と解釈すべきではない。むしろ、アナログ信号経路は異なる入力要件のコンポーネントを採用し得、したがって、異なる信号経路アーキテクチャを持ち得ることを理解すべきである。

シングルエンドおよび差動増幅器トポロジーの両方では、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２への入力電流は、コンデンサ３２４全体の電圧を測定することによるか、またはある種の電流センサーを経由して取得され得る。図３の例示的なシングルエンド増幅器トポロジーについては、電流は、インピーダンス整合回路網３４２からの接地電流経路上で検知され得る。図４に示す例示的な差動電力増幅器に対して、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２への入力電流は、コンデンサ３２４の端子全体で差動増幅器を用いるか、または一種の電流センサーを経由して測定され得る。図４の差動トポロジーでは、コンデンサ３２４は、供給源電力増幅器の負の出力端子で重複させてもよい。

両方のトポロジーにおいて、供給源共振器およびインピーダンス整合回路網への入力電圧および電流を示すシングルエンド信号が取得されると、信号波形の所望の成分を取得するために信号５０２がフィルタリングされ得る。実施形態では、信号をフィルタリングして、その信号の基本成分を取得し得る。実施形態では、低域、帯域通過、ノッチ、および同類のものなど、実行したフィルタリングのタイプ、ならびに、楕円（elliptical）、チェビシェフ、バターワース、および同類のものなど、使用したフィルタートポロジーは、システムの特定の要件によって決まり得る。いくつかの実施形態では、フィルタリングは必要とされないであろう。

電圧および電流信号は、随意の増幅器５０４によって増幅され得る。随意の増幅器５０４の増幅率は、固定または可変であり得る。増幅器の増幅率は、手動により、電子的に、自動的に、制御信号に応答して、および同類の態様で制御され得る。増幅器の増幅率は、フィードバックループで、制御アルゴリズムに応じて、マスター制御アルゴリズムによって、および同類の態様で調整され得る。実施形態では、増幅器に対して必要な性能仕様は、信号強度および所望の測定精度によって決まり得、異なる用途シナリオおよび制御アルゴリズムによって異なり得る。

測定されたアナログ信号は、それらに加えられた直流オフセット５０６を有し得、それは、信号を、いくつかのシステムに対しては０〜３．３Ｖであり得るＡＤＣの入力電圧範囲にするために必要とされ得る。いくつかのシステムでは、この段階は、使用する特定のＡＤＣの仕様に応じて、必要でない場合がある。

前述のように、発電機と電源負荷との間の送電効率は、発電機の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどのくらい厳密に一致しているかによって影響され得る。図６Ａに示すような例示的なシステムでは、電力は、負荷６０４の入力インピーダンスが発電機または電力増幅器６０２の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大可能効率で負荷に供給され得る。高いおよび／または最大限の送電効率を獲得するための発電機または負荷インピーダンスの設計は、「インピーダンス整合」と呼ばれ得る。インピーダンス整合は、コンデンサ、抵抗、インダクタ、変圧器、スイッチ、および同類のものなど、適切な回路網または素子の組を挿入して、図６Ｂに示すように、発電機６０２と電源負荷６０４との間に、インピーダンス整合回路網６０６を形成することによって、行われ得る。他の実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整および変更が、インピーダンス整合を達成するために使用され得る。前述のように、変化する負荷については、インピーダンス整合回路網６０６は、負荷に向けた発電機端子におけるインピーダンスおよび発電機の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいても、実質的に互いの複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含み得る。実施形態では、発電機の駆動信号のデューティサイクル、および／もしくは位相、および／もしくは周波数を調整することにより、または、図６Ｃに示すように、コンデンサなどの発電機内の物理的コンポーネントを調整することにより、動的インピーダンス整合を達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、または、例えば、より少ない調整可能コンポーネントを有するものなど、簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網６０６を用いて、発電機６０８と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利であり得る。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および／または周波数、および／または位相を電力供給に合わせることにより、拡張した同調範囲または精度、より高い電力、電圧および／または電流能力、より高速な電子制御、より少ない外部コンポーネントなどを備えた、動的インピーダンス整合システムを生じ得る。以下に記載する、インピーダンス整合の方法、アーキテクチャ、アルゴリズム、プロトコル、回路、測定、制御、および同類のものは、本明細書に記載のように、発電機が高Ｑ磁気共振器を駆動するシステムにおいて、および高Ｑ無線送電システムにおいて有用であり得る。無線送電システムでは、発電機は、供給源共振器とも呼ばれる、共振器を駆動する電力増幅器であり得、その共振器は、電力増幅器に対する負荷であり得る。無線電力の用途では、電力増幅器から共振器への電力供給効率を制御するため、電力増幅器と共振器との間のインピーダンス整合を制御することが望ましい。インピーダンス整合は、共振器を駆動する電力増幅器の駆動信号のデューティサイクル、および／または位相、および／または周波数を調整または調節することにより、達成され得るか、または一部達成され得る。

スイッチング増幅器の効率
クラスＤ、Ｅ、Ｆ増幅器、および同類のものまたはそれらの任意の組み合わせなどのスイッチング増幅器は、増幅器のスイッチング素子内でほとんど電力が散逸されない場合、最大限の効率で電力を負荷に供給する。この動作条件は、スイッチング素子全体の電圧およびスイッチング素子を流れる電流の両方がほぼゼロである場合に、最もクリティカルなスイッチング動作（すなわち、スイッチング損失につながる可能性が最も高いもの）が行われるように、システムを設計することにより達成され得る。これらの条件は、それぞれ、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）条件と呼ばれ得る。増幅器がＺＶＳおよびＺＣＳで動作する場合、スイッチング素子全体の電圧またはスイッチング素子を流れる電流のいずれかがゼロであり、したがって、スイッチ上で電力は散逸し得ない。スイッチング増幅器は、特定の周波数または周波数範囲で、直流（または超低周波交流）電力から交流電力に変換し得、フィルターは、スイッチング処理によって生成され得る望ましくない調波が、負荷に達し、そこで散逸するのを防ぐために、負荷の前に導入され得る。実施形態では、スイッチング増幅器は、品質係数（例えばＱ＞５）をもち、同時にＺＶＳおよびＺＣＳをもたらす、特定のインピーダンス
の共振器負荷に接続される場合に、最大限の電力変換効率で動作するように設計され得る。Ｚ_０＝Ｒ_０−ｊＸ_０を増幅器の特性インピーダンスとして定義し、最大限の送電効率の達成が、共振器負荷を増幅器の特性インピーダンスに適合させるインピーダンスと同等になるようにする。

スイッチング増幅器では、スイッチング素子のスイッチング周波数ｆ_{ｓｗｉｔｃｈ}（ここで、ｆ_{ｓｗｉｔｃｈ}＝ω／２π）、およびスイッチング素子のＯＮスイッチ状態持続時間のデューティサイクルｄｃは、増幅器の全てのスイッチング素子に対して同一であり得る。本明細書では、クラスＤおよびクラスＤＥ増幅器の両方、すなわち、ｄｃ＜＝５０％のスイッチング増幅器を示すために用語「クラスＤ」を使用する。

増幅器の特性インピーダンスの値は、スイッチング素子の動作周波数、増幅器トポロジー、およびスイッチングシーケンスによって決まり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、ハーフブリッジトポロジーであり、また、いくつかの実施形態では、フルブリッジトポロジーであり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、クラスＤであり、また、いくつかの実施形態では、クラスＥであり得る。前述の実施形態のいずれかでは、ブリッジの素子が対称であると仮定すると、スイッチング増幅器の特性インピーダンスは、形式
Ｒ_０＝Ｆ_Ｒ（ｄｃ）／ωＣ_ａ，Ｘ_０＝Ｆ_ｘ（ｄｃ）／ωＣ_ａ（１）
を有し、式中ｄｃは、スイッチング素子のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルであり、関数Ｆ_Ｒ（ｄｃ）およびＦ_Ｘ（ｄｃ）は、図７（クラスＤおよびＥの両方に対して）に示されており、ωは、スイッチング素子が切り替わる周波数であり、また、Ｃａ＝ｎ_ａＣ_{ｓｗｉｔｃｈ}（ここで、Ｃ_{ｓｗｉｔｃｈ}は、スイッチと並列接続で配置されたトランジスタ出力容量およびあり得る外部コンデンサの両方を含む、各スイッチ全体の容量であり、一方、フルブリッジではｎ_ａ＝１、ハーフブリッジではｎ_ａ＝２）である。クラスＤに対して、解析方程式
Ｆ_Ｒ（ｄｃ）＝ｓｉｎ^２ｕ／π，Ｆ_Ｘ（ｄｃ）＝（ｕ−ｓｉｎｕ＊ｃｏｓｕ）／π （２）
を記述することもでき、式中、ｕ＝π（１−２＊ｄｃ）であり、クラスＤ増幅器の特性インピーダンスレベルが、デューティサイクルｄｃが５０％に向かって増加するにつれて低下することを示す。ｄｃ＝５０％のクラスＤ増幅器の動作に対して、ＺＶＳおよびＺＣＳの達成は、スイッチング素子が実質的に出力容量を有せず（Ｃ_ａ＝０）、負荷が厳密に共振状態（Ｘ_０＝０）であり、一方、Ｒ_０が任意であり得る場合に限り可能である。

インピーダンス整合回路網
適用例では、駆動された負荷は、それが接続されている、外部駆動回路の特性インピーダンスとは大きく異なっているインピーダンスを有し得る。さらに、駆動された負荷は共振回路網ではない可能性がある。インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）は、ＩＭＮ回路および負荷から構成される回路網の入力において見られるインピーダンスを調整するため、図６Ｂに示すように、負荷の前に接続され得る回路網である。ＩＭＮ回路は、通常は、この調整を、駆動周波数に近い共振器を作成することにより、達成し得る。かかるＩＭＮ回路は、発電機から負荷への送電効率を最大限にする（共振器およびインピーダンス整合−スイッチング増幅器に対するＺＶＳおよびＺＣＳ）ために必要な全ての条件を達成するので、実施形態では、ＩＭＮ回路は、駆動回路と負荷との間に使用され得る。

図６Ｂに示す構成に対して、仮に、インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）および負荷（今後は、合わせてＩＭＮ＋負荷として示す）をＺ_ｌ＝Ｒ_ｌ（ω）＋ｊＸ_ｌ（ω）としよう。この回路網の特性インピーダンスＺ_０＝Ｒ_０−ｊＸ_０の外部回路に対するインピーダンス整合条件は、その結果、Ｒ_ｌ（ω）＝Ｒ_０、Ｘ_ｌ（ω）＝Ｘ_０である。

可変負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法
負荷が可変であり得る実施形態では、負荷と、線形またはスイッチング電力増幅器などの外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、可変負荷を外部回路の固定特性インピーダンスＺ_０に適合させるように調整し得るＩＭＮ回路内の調節可能／調整可能コンポーネントを使用することにより達成され得る（図６Ｂ）。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、ＩＭＮ回路内の２つの調整可能／可変素子が必要とされ得る。

実施形態では、負荷は、インピーダンスＲ＋ｊωＬをもつ誘導性（共振器コイルなど）であり得、そのため、ＩＭＮ回路内の２つの調整可能素子は、２つの調整可能容量回路網または１つの調整可能容量回路網と１つの調整可能インダクタンス回路網または１つの調整可能容量回路網と１つの調整可能相互インダクタンス回路網であり得る。

負荷が可変であり得る実施形態では、負荷と、線形またはスイッチング電力増幅器などの駆動回路との間のインピーダンス整合は、増幅器の特性インピーダンスＺ_０を、ＩＭＮ回路および負荷（ＩＭＮ＋負荷）から構成される回路網の（負荷変動に起因する）可変入力インピーダンスに適合させるように調整し得る増幅器回路内の調節可能／調整可能コンポーネントまたはパラメータを使用することにより達成され得、ここで、ＩＭＮ回路も調整可能であり得る（図６Ｃ）。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、増幅器およびＩＭＮ回路内の合計２つの調整可能／可変素子またはパラメータが必要とされ得る。開示されるインピーダンス整合方法では、ＩＭＮ回路内の調整可能／可変素子の必要数を減らすことができ、またはＩＭＮ回路内の調整可能／可変素子に対する要件を完全に取り除くことさえできる。いくつかの例では、電力増幅器内の１つの調整可能素子およびＩＭＮ回路内の１つの調整可能素子が使用され得る。いくつかの例では、電力増幅器内の２つの調整可能素子およびＩＭＮ回路内の調整可能素子は０個で使用され得る。

実施形態では、電力増幅器内の調整可能素子またはパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオードおよび同類のものに適用される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクルおよび同類のものであり得る。

実施形態では、調整可能な特性インピーダンスを有する電力増幅器は、クラスＤ、Ｅ、Ｆの調整可能スイッチング増幅器またはそれらの任意の組み合わせであり得る。方程式（１）および（２）を組み合わせると、この回路網に対するインピーダンス整合条件は、
Ｒ_ｌ（ω）＝Ｆ_Ｒ（ｄｃ）／ωＣ_ａ、Ｘ_ｌ（ω）＝Ｆ_Ｘ（ｄｃ）／ωＣ_ａ（３）

調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、容量Ｃ_ａであり、それは、スイッチング素子と並列接続で配置されている外部コンデンサを調整することによって調整され得る。

調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、増幅器のスイッチング素子のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルｄｃであり得る。デューティサイクルｄｃのパルス幅変調（ＰＷＭ）による調整は、出力電力制御を達成するためにスイッチング増幅器で使用されてきた。本明細書では、ＰＷＭは、インピーダンス整合を達成するため、すなわち、方程式（３）を満足するため、したがって、増幅器効率を最大限にするためにも使用され得ることを開示する。

調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、スイッチング周波数であり得、それは、ＩＭＮ＋負荷回路網の駆動周波数でもあり、また、ＩＭＮ＋負荷回路網の共振周波数に実質的に近くなるように設計され得る。スイッチング周波数の調整は、増幅器の特性インピーダンスおよびＩＭＮ＋負荷回路網のインピーダンスを変更し得る。増幅器のスイッチング周波数は、もう１つの調整可能パラメータと共に適切に調整され得、そのため、方程式（３）が満足される。

動的インピーダンス整合のために増幅器のデューティサイクルおよび／または駆動周波数を調整する利点は、これらのパラメータが電子的に迅速に、かつ広範囲に渡って調整可能なことである。対照的に、例えば、大きな電圧を維持でき、かつ、十分に大きい調整可能範囲を有する調整可能コンデンサおよび品質係数は、費用がかかるか、時間がかかるか、または必要なコンポーネント仕様を利用できない可能性がある。

可変負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法例
クラスＤ電力増幅器８０２、インピーダンス整合回路網８０４、および誘導負荷８０６の回路レベルの構造を示す簡略化回路図を図８に示す。この概略図は、電源８１０、スイッチング素子８０８、およびコンデンサを含むスイッチング増幅器８０４を備えたシステムの基本的なコンポーネントを示す。インピーダンス整合回路網８０４は、インダクタおよびコンデンサ、ならびにインダクタおよび抵抗としてモデル化された負荷８０６を含む。

本発明の調整方式の例示的な実施形態は、図８に示すように、スイッチング周波数ｆで動作し、かつ、ＩＭＮを経由して低損失誘導素子Ｒ＋ｊωＬを駆動する、ハーフブリッジクラスＤ増幅器を含む。

いくつかの実施形態では、Ｌ´は調整可能であり得る。Ｌ´は、インダクタ上の可変タップ点によるか、または調整可能コンデンサを直列または並列でインダクタに接続することにより、調整し得る。いくつかの実施形態では、Ｌ´は調整可能であり得る。ハーフブリッジトポロジーに対して、Ｃ_ａは、コンデンサＣ_{ｓｗｉｔｃｈ}の並列和のみが増幅器動作に対して重要であるため、これらのコンデンサのいずれか一方または両方を変化させることにより調整し得る。フルブリッジトポロジーに対して、Ｃ_ａは、コンデンサＣ_{ｓｗｉｔｃｈ}の組み合わせ（ブリッジの２つの部分に関連する２つの並列和の直列和）のみが増幅器動作に対して重要であるため、１つ、２つ、３つ、または全てのコンデンサを変化させることにより調整し得る。

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、ＩＭＮのコンポーネントのうちの２つが調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、Ｌ´は調整可能であり得る。そこで、図９は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ_ａ＝６４０ｐＦおよびＣ１＝１０ｎＦに対して、誘導素子の可変ＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能コンポーネントの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。ＩＭＮは常に増幅器の固定特性インピーダンスに適合されるので、誘導素子は可変であるが、出力電力は常に一定である。

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、スイッチング増幅器内の素子も調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、容量Ｃａは、ＩＭＮコンデンサＣ２と共に調整し得る。そこで、図９は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃａ＝６４０ｐＦおよびＣ１＝１０ｎＦに対して、誘導素子の可変ＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能コンポーネントの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。図１０から、Ｃ_２は、主にＬにおける変動に応じて調整する必要があること、および出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃは、ＩＭＮコンデンサＣ_２と共に調整し得る。そこで、図１１Ｄは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ_ａ＝６４０ｐＦ、Ｃ_１＝１０ｎＦ、およびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の可変ＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。図１１Ｄから、Ｃ_２は、主にＬにおける変動に応じて調整する必要があること、および出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、容量Ｃ_ａは、ＩＭＮインダクタＬ´と共に調整し得る。そこで、図１１Ａは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ_１＝１０ｎＦ、およびＣ_２＝７．５ｎＦについて、誘導素子の可変Ｒの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能コンポーネントの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。図１１Ａから、出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃは、ＩＭＮインダクタＬ´と共に調整し得る。そこで、図１１Ｂは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ_ａ＝６４０ｐＦ、Ｃ_１＝１０ｎＦ、およびＣ_２＝７．５ｎＦに対して、誘導素子の可変Ｒの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。図１１Ｂから、出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、ＩＭＮ内の素子は調整可能でなく、スイッチング増幅器内の素子のみが調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｕは、容量Ｃ_ａと共に調整し得る。そこで、図１１Ｃは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ_１＝１０ｎＦ、Ｃ_２＝７．５ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の可変Ｒの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。図１１Ｃから、出力電力はＲの非単調な関数であることが推測できる。これらの実施形態は、Ｌにおける変動（および、したがって共振周波数）があまり大きくない場合に、動的インピーダンス整合を達成することが可能であり得る。

いくつかの実施形態では、ＩＭＮ内に固定素子を有し、また、前述の説明のように、Ｌが大きく変動する場合、動的インピーダンス整合は、外部周波数ｆ（例えば、スイッチング増幅器のスイッチング周波数）の駆動周波数を、共振器の可変共振周波数に従うように、変更することにより達成され得る。スイッチング周波数ｆおよびスイッチのデューティサイクルｄｃを２つの可変パラメータとして使用すると、ＲおよびＬはいずれの可変コンポーネントも必要とせずに変化するので、完全なインピーダンス整合が達成できる。そこで、図１２は、Ｃ_ａ＝６４０ｐＦ、Ｃ_１＝１０ｎＦ、およびＬ´＝６３７μＨに対して、誘導素子の可変ＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変動を示す。図１２から、前述の説明のように、ｆは、主にＬにおける変動に応じて調整する必要があることが推測できる。

無線送電システムのための調整可能なインピーダンス整合
無線送電の適用例では、低損失誘導素子は、１つまたは複数の装置共振器または、例えば、中継器共振器などの他の共振器に結合された供給源共振器のコイルであり得る。誘導素子のインピーダンスＲ＋ｊωＬは、供給源共振器のコイル上の他の共振器の反射インピーダンスを含み得る。誘導素子のＲおよびＬの変動は、供給源共振器および／もしくは他の共振器の近くの外部摂動またはコンポーネントの熱ドリフトに起因して生じ得る。誘導素子のＲおよびＬの変動は、無線送電システムの通常の使用中にも、供給源に関する装置および他の共振器の相対運動に起因して生じ得る。供給源に関するこれらの装置および他の共振器の相対運動、または他の供給源の相対運動もしくは位置は、装置の供給源への可変結合（および、したがって、可変反射インピーダンス）となり得る。さらに、誘導素子のＲおよびＬの変動は、無線送電システムの通常の使用中にも、それらの負荷の消費電力における変化など、他の結合共振器内部の変化に起因して生じ得る。これまでに開示した全ての方法および実施形態は、この誘導素子の、それを駆動する外部回路との動的インピーダンス整合を達成するために、この事例にも当てはまる。

現在開示されている無線送電システムのための動的インピーダンス整合方法を明示するために、負荷抵抗を駆動する装置共振器の装置コイルに誘導的に結合されている、低損失供給源コイルを含む供給源共振器を考える。

いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合は、供給源回路において達成し得る。いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合は、装置回路においても達成し得る。完全なインピーダンス整合が（供給源および装置の両方で）取得される場合、供給源誘導素子の実効抵抗（すなわち、供給源コイルの抵抗Ｒ_Ｓ＋装置からの反射インピーダンス）は
である。（同様に、装置誘導素子の実効抵抗は
であり、ここで、Ｒ_ｄは、装置コイルの抵抗である）。運動に起因するコイル間の相互インダクタンスの動的変動は、
の動的変動となる。それ故、供給源および装置の両方が動的に調整される場合、相互インダクタンスの変動は、供給源回路側からは、供給源誘導素子抵抗Ｒにおける変動として見られる。このタイプの変動では、Ｌが変化しない可能性があるので、共振器の共振周波数は実質的に変化しない可能性があることに留意されたい。それ故、動的インピーダンス整合に対して提示した全ての方法および例は、無線送電システムの供給源回路に対して使用され得る。

図９〜図１２で、抵抗Ｒは、供給源コイルおよび装置コイルの供給源コイルへの反射インピーダンスの両方を表すので、増加するＵに起因してＲが増加するにつれ、関連する無線送電効率が向上することに留意されたい。いくつかの実施形態では、ほぼ一定の電力が、装置回路によって駆動される負荷において必要とされ得る。装置に伝送される電力の一定レベルを達成するために、供給源回路の必要な出力電力は、Ｕが増加するにつれて減少する必要があり得る。動的インピーダンス整合が、増幅器パラメータのいくつかを調整することによって達成される場合、増幅器の出力電力は、それに応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、出力電力の自動変動は、一定の装置電力要件を満足するように、Ｒと共に単調に減少するのが好まれる。出力電力レベルが、発電機の直流駆動電圧を調整することによって達成される実施形態では、出力電力のＲに対する単調な減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合セットの使用は、一定の電力が、直流駆動電圧の適度な調整のみで、装置内の電力負荷において維持できることを暗示し得る。出力電力レベルを調整するための「ノブ」が、インピーダンス整合回路網内のスイッチング増幅器またはコンポーネントのデューティサイクルｄｃまたは位相である、実施形態では、出力電力のＲに対する単調な減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合セットの使用は、一定の電力が、この電力「ノブ」の適度な調整のみで、装置内の電力負荷において維持できることを暗示し得る。

図９〜図１２の例では、Ｒ_ｓ＝０．１９Ωであれば、範囲Ｒ＝０．２−２Ωは、ほぼＵ_ｓｄ＝０．３−１０．５に対応する。これらの値に対して、供給源および装置の両方が動的にインピーダンス整合されている場合、図１４では、点線で、負荷において一定の電力レベルを維持する必要がある出力電力（２乗された直流電圧に正規化された）を示す。実線および点線との間の同様の傾向が、出力電力のかかる変化をもつ調整可能なパラメータの組がなぜ好ましい可能性があるかを明らかにする。

いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合が供給源回路で達成され得るが、インピーダンス整合は、装置回路では達成され得ないか、または部分的のみ達成され得る。供給源コイルと装置コイルとの間の相互インダクタンスが変動するので、装置の供給源への可変反射インピーダンスは、供給源誘導素子の実効抵抗Ｒおよび実効インダクタンスＬの両方の変動となり得る。これまでに提示した動的インピーダンス整合のための方法は、適用可能であり、無線送電システムの調整可能供給源回路に対して使用できる。

一例として、図１４の回路を考えるが、この図では、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ_ａ＝６４０ｐＦ、Ｒ_Ｓ＝０．１９Ω、Ｌ_Ｓ＝１００μＨ、Ｃ_１Ｓ＝１０ｎＦ、ωＬ´_Ｓ＝１０００Ω、Ｒ_ｄ＝０．３Ω、Ｌ_ｄ＝４０μＨ、Ｃ_１ｄ＝８７．５ｎＦ、Ｃ_２ｄ＝１３ｎＦ、ωＬ´_ｄ＝４００ΩおよびＺ_ｌ＝５０Ωであり、ここで、ｓおよびｄは、それぞれ供給源および装置共振器を示し、システムはＵ_ｓｄ＝３で整合される。スイッチング増幅器のデューティサイクルｄｃおよびコンデンサＣ_２Ｓの調整は、調整不能な装置が、供給源と装置との間の相互インダクタンスＭを変化させる供給源に相対して移動しているので、共振器を動的にインピーダンス整合するために使用され得る。図１４では、増幅器の直流電圧ごとの出力電力の変化に従って、調整可能パラメータの必要な値を示す。点線は、再度、負荷における電力を一定値にできるように、必要とされる増幅器の出力電力を示す。

いくつかの実施形態では、供給源駆動回路の駆動周波数ｆの調整は、さらに、供給源と１つまたは複数の装置との間の無線送電のシステムに対して、供給源における動的インピーダンス整合を達成するために使用され得る。前述の説明のとおり、この方法は、供給源インダクタンスＬ_Ｓ、および、したがって供給源共振周波数において変動がある場合にさえ、供給源の完全な動的インピーダンス整合を可能にする。供給源から装置への効率的な送電のため、装置共振周波数は、整合された駆動および供給源共振周波数の変動に従うように調整する必要がある。供給源または装置共振器のいずれかの共振周波数において変動がある場合は、装置容量の調整（例えば、図１３の実施形態では、Ｃ_１ｄまたはＣ_２ｄ）が必要であり得る。実際には、複数の供給源および装置を備える無線送電システムでは、駆動周波数の調整は、１つのみの供給源−物体共振周波数（source-object resonant frequency）を調整する必要性を軽減するが、残りの全ての物体は、それらの共振周波数を駆動周波数に整合させるように調整する機構（調整可能容量など）が必要であり得る。

共振器の熱管理
無線エネルギー伝達システムでは、無線伝達プロセス中に失われたエネルギーの一部が熱として散逸される。エネルギーは、共振器コンポーネント自体内で散逸し得る。例えば、高Ｑ導体およびコンポーネントでさえ、多少の損失または抵抗を有し、これらの導体およびコンポーネントは、電流および／または電磁場がそれらを流れる際に加熱し得る。エネルギーは、共振器の周囲の材料または物体内で散逸し得る。例えば、不完全導体または誘電体周囲または近くの共振器で散逸した渦電流は、それらの物体を加熱し得る。それらの物体の材料特性に影響を及ぼすことに加えて、この熱は、導電性、放射性、または対流性プロセスを通って共振器コンポーネントに伝達され得る。これらの加熱効果のいずれも共振器Ｑ、インピーダンス、周波数など、および、それ故、無線エネルギー伝達システムに影響し得る。

磁性材料のブロックまたはコアを含む共振器では、ヒステリシス損失および誘電渦電流から生じた抵抗損失に起因して、磁性材料内で熱が生成され得る。両方の影響は、材料における磁束密度によって決まり、両方とも、特に、流束密度または渦電流が集中または局所化し得る領域内で、相当量の熱を生成できる。流束密度に加えて、振動磁場の周波数、磁性材料組成および損失、ならびに磁性材料の周囲または動作温度が、どのようにヒステリシス損失および抵抗損失が材料を加熱するかに影響し得る。

実施形態では、磁性材料の加熱を最小化するために、材料の種類、ブロックの寸法、および同類のものなどの磁性材料の特性、ならびに磁場パラメータが、特定の動作電力レベルおよび環境に対して、選択され得る。いくつかの実施形態では、磁性材料ブロックにおける変化、亀裂、または欠陥が、無線送電用途における磁性材料の損失および加熱を増加させ得る。

欠陥のある磁性ブロック、またはより大きなユニットに配置された磁性材料の小さいサイズのタイルまたは断片から構成された磁性ブロックについて、そのブロックにおける損失が不均一であり得、磁性材料の隣接するタイルまたは断片の間に不均等性または比較的狭い間隙がある領域に集中し得る。例えば、不規則な間隙が材料の磁性ブロック内に存在すると、その材料を通る様々な磁束経路の実効磁気抵抗が実質的に不規則であり得、磁場は、磁気抵抗が最低であるブロックの部分により集中し得る。いくつかの場合には、実効磁気抵抗は、タイルまたは断片の間の間隙が最も狭いか、または欠陥の密度が最も低いところで最低であり得る。磁気材料が磁場を導くので、磁束密度は、実質的にブロック全体で均一ではあり得ないが、相対的により低い磁気抵抗を提供する領域に集中し得る。磁性材料ブロック内の磁場の不規則な集中は、材料における不均一な損失および熱放散となり得る。

例えば、図１５に示すように、導体１５０６ループの軸に垂直な継ぎ目１５０８を形成するように結合された、磁性材料の２つの別個のタイル１５０２、１５０４から構成される磁性材料ブロックに巻かれた導体１５０６を含む磁気共振器を考える。磁性材料タイル１５０２、１５０４の間の継ぎ目１５０８内の不規則な間隙は、共振器内の磁場１５１２（破線の磁力線で概略的に表す）を、磁性材料の横断面の部分領域１５１０内に集中させ得る。磁場は磁気抵抗の最も少ない経路をたどるので、磁性材料の２つの断片の間の空隙を含む経路は、磁性材料の断片がより小さい空隙に触れるか、またはより小さい空隙を有する点において磁性材料の幅を横切る磁気抵抗経路よりも事実上高い磁気抵抗経路を作成し得る。磁束密度は、それ故、磁性材料の比較的小さい交差領域を優先的に流れ、結果として、その小領域１５１０内の磁束の高い集中となる。

対象の多くの磁性材料では、より不均一な流束密度分散がより高い総合損失をもたらす。その上、より不均一な流束密度分散は、材料飽和となり、磁束が集中している領域の局部加熱を引き起こし得る。局部加熱は、磁性材料の特性を変更し得、場合によっては損失を悪化させる。例えば、いくつかの材料の操作の関連するレジーム（ｒｅｇｉｍｅ）では、ヒステリシスおよび抵抗損失が温度とともに増大する。材料の加熱が材料損失を増加させ、その結果、さらなる加熱となる場合、材料の温度が上昇し続け、是正処置が取られなければ、急騰さえし得る。ある場合には、温度が１００°Ｃまたはそれ以上に達し得、無線送電の磁性材料および性能を低下させ得る。ある場合には、磁性材料が損傷し得るか、または、周囲の電子部品、パッケージングおよび／または筐体が過度の熱によって損傷し得る。

実施形態では、磁性材料ブロックのタイルまたは断片の間の変動または不規則性が、整合、研磨、研削、および同類のものによって最小化され得、タイルまたは断片の縁部が、磁性材料タイル間の締りばめを確実にするため、実質的により均一な磁気抵抗を磁性材料ブロックの横断面全体にわたって提供する。実施形態では、磁性材料ブロックは、タイルが間隙なくしっかりと締め付けられることを確実にするため、タイル間に圧縮力を提供するための手段を必要とし得る。実施形態では、タイルが密着したままであることを確実にするため、タイル間に接着剤が使用され得る。

実施形態では、磁性材料の隣接するタイルの不規則な間隔は、磁性材料の隣接するタイル間に意図的な間隙（deliberate gap）を追加することにより、削減し得る。実施形態では、意図的な間隙は、磁性材料タイルまたは断片の間の均一または規則正しい分離を確実にするために、スペーサとして使用され得る。可撓性材料の意図的な間隙も、タイルの移動または振動に起因する間隔における不規則性を削減し得る。実施形態では、磁性材料の隣接するタイルの縁部が、電気絶縁体を用いて、貼られ、浸され、覆われるなどされ得て、ブロックの削減された断面積を渦電流が流れるのを防ぎ、従って、材料における渦電流損失を低下させる。実施形態では、セパレータが共振器パッケージに組み込まれ得る。スペーサは、１ｍｍ以下の間隔を提供し得る。

実施形態では、タイル間のスペーサの機械的特性は、外部の衝撃および振動のみならず、本質的効果（例えば、磁気歪み、熱膨張、および同類のもの）に起因する、タイルの寸法および／または形状における変化などの機械的効果に対する全体構造の耐性を向上させるように選択され得る。例えば、スペーサは、個々のタイルの膨張および／または収縮に順応するために、所望の量の機械的弾力性を有し得、また、タイルが機械的振動にさらされる場合にタイルへの圧力を削減する役に立ち得、したがって、磁性材料における亀裂および他の欠陥の出現を削減する役に立つ。

実施形態では、磁性材料ブロックから構成される個別のタイルを、共振器の双極子モーメントに垂直なタイル間の継ぎ目または間隙の数を最小限にするように配置することは好ましくあり得る。実施形態では、磁性材料タイルを、共振器を含む導体のループによって形成された軸に垂直なタイル間の間隙の数を最小限にするように配置および向けることは好ましくあり得る。

例えば、図１６に示す共振器構造を考える。共振器は、３×２の配列に配置された６つの別々の個々のタイル１６０２を含む磁性材料ブロックに巻かれた導体１６０４を含む。タイルの配列は、磁性材料ブロックを一方向に横切ると２本のタイルの継ぎ目１６０６、１６０８、および磁性材料ブロックを直交方向に横切ると１本のみのタイルの継ぎ目１６１０となる。実施形態では、共振器の双極子モーメントがタイルの継ぎ目の最も少ない数に垂直になるように、導線１６０４を磁性材料ブロックに巻き付けることが好ましくあり得る。本発明人は、共振器の双極子モーメントと平行な継ぎ目および間隙１６０６、１６０８の周囲に誘導加熱が比較的少ないことに気付いた。共振器の双極子モーメントに垂直な継ぎ目および間隙は、クリティカルな継ぎ目またはクリティカルな継ぎ目領域とも呼ばれる。しかし、渦電流損失を削減するために、共振器の双極子モーメントと平行な間隙（１６０６および１６０８など）を電気的に絶縁することは、さらに望ましくあり得る。かかる平行な間隙によって分離されたタイル間の不均一な接触は、渦電流が狭い接触点を流れるようにし得、かかる点における大きな損失となる。

実施形態では、間隔における不規則性は、磁性材料が熱くなる際に、材料特性の局部的悪化を防ぐため、クリティカルな継ぎ目領域の十分な冷却で許容され得る。磁性材料の温度を限界温度以下に維持すると、十分に高い温度によって生じる熱暴走を防ぎ得る。クリティカルな継ぎ目領域の適切な冷却で、無線エネルギー伝達の性能は、不規則な間隔、亀裂、またはタイル間の間隙に起因する追加の損失および加熱効果にもかかわらず、満足のいくものであり得る。

磁性材料の過度の局部加熱を防ぐための共振器構造の効果的な放熱は、いくつかの課題を提起する。放熱板および熱伝導のために一般に使用される金属材料は、無線エネルギー伝達用に共振器によって使用される磁場と相互作用する可能性があり、システムの性能に影響する。それらの位置、サイズ、方向、および使用は、これらの放熱材料の存在下で、共振器の摂動Ｑを過度に低下させないように設計すべきである。さらに、フェライトなど、磁性材料の比較的低い熱伝導率のせいで、磁気共振器に近接して相当量の損失性材料を配置することを必要とし得る十分な冷却を提供するために、放熱板と磁性材料との間に比較的大きな接触領域が必要とされ得る。

実施形態では、共振器の十分な冷却が、熱伝導材の戦略的な配置を用いて、無線エネルギー伝達性能への最小限の影響で達成され得る。実施形態では、熱伝導材の細長片が、導線のループ間に、磁性材料ブロックと熱的に接触して配置され得る。

熱伝導材の細長片を備えた共振器の一例示的な実施形態を図１７に示す。図１７Ａは、導電性細長片がなく、間隙または継ぎ目を形成する磁性材料のより小さいタイルを含む磁性材料ブロックを有する共振器構造を示す。図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すように、熱伝導材の細長片１７０８は、導体のループ１７０２の間に、磁性材料ブロック１７０４と熱的に接触して配置され得る。共振器のパラメータに対する細長片の影響を最小限にするため、いくつかの実施形態では、細長片を導体のループに平行に、または共振器の双極子モーメントに垂直に配置することは好ましくあり得る。導体の細長片は、できるだけ多くのタイル間の継ぎ目または間隙、特に、共振器の双極子モーメントに垂直なタイル間の継ぎ目をカバーするように配置され得る。

実施形態では、熱伝導材は、銅、アルミニウム、真鍮、熱エポキシ、ペースト、パッド、および同類のものを含み得、少なくとも共振器内の磁性材料の熱伝導率（いくつかの市販のフェライト材料に対して、およそ５Ｗ／（Ｋ−ｍ））である熱伝導率を有する任意の材料であり得る。熱伝導材も導電性である実施形態では、材料は、短絡または、磁性材料もしくは共振器の導体ループとの直接電気接触を防ぐために、電気絶縁体の層または被覆を必要とし得る。

実施形態では、熱伝導材の細長片が、熱を共振器構造から、熱エネルギーを安全に散逸できる構造または媒体へ伝導するために使用され得る。実施形態では、熱伝導性細長片が、受動もしくは強制対流、放熱、または環境への伝導を使用して熱エネルギーを散逸可能な、その導体細長片の上に配置された大きな平板などの放熱板に接続され得る。実施形態では、システムは、熱伝導性細長片から熱エネルギーを散逸できる共振器構造の外部または内部であり得、かつ、液体冷却システム、強制換気システム、および同類のものを含み得る、任意の数の能動冷却システムを含み得る。例えば、熱伝導性細長片は、中空であるか、または、磁性材料を冷却するために、ポンプで注入されるかまたは押し出される冷却液のための経路を含み得る。実施形態では、良導体（銅、銀、アルミニウム、および同類のものなど）で作られた場偏向器（field deflector）は、放熱器の一部として２倍になり得る。磁性材料と場偏向器との間のスペースに熱および電気導電性細長片を追加すると、そのスペース内の電磁場が通常、場偏向器の存在によって抑制されるので、摂動Ｑに対して限界効果を有し得る。かかる導電性細長片は、異なる細長片の間での温度分散をより均一にするために、磁性材料および場偏向器の両方に熱的に接続され得る。

実施形態では、熱伝導性細長片は、少なくとも１つの導体ループが磁性材料に巻き付くことができるように間隔が空けられる。実施形態では、熱伝導材の細長片は、磁性材料の間隙または継ぎ目のみに位置付けられ得る。他の実施形態では、細長片は、実質的にそのスパンにわたって、磁性材料と接するように位置付けられ得る。他の実施形態では、細長片は、磁性材料内の流束密度に適合するように分散され得る。共振器の通常動作下でより高い磁束密度をもち得る磁性材料領域は、熱伝導性細長片とのより高い接触密度を持ち得る。図１７Ａに示す実施形態では、例えば、磁性材料内の最も高い磁束密度は、磁性材料ブロックの中心に向かって認められ得、より低い密度は、共振器の双極子モーメントの方向に、ブロックの端部に向かって認められ得る。

熱伝導性細長片の使用が、潜在的なホットスポットにおける温度のみならず、磁性材料全体の温度を下げるのにどのように役立つかを示すために、本発明人は、図１７Ｃに示すものに類似した共振器構造の有限要素シミュレーションを実行している。周波数２３５ｋＨｚで動作し、それぞれが４０Ａのピーク電流を搬送する、１０回巻いたリッツ線（構造の対称面から２５ｍｍ、４０ｍｍ、５５ｍｍ、９０ｍｍおよび１０５ｍｍのところで対称的に配置された）で磁場を発生させた、寸法が３０ｃｍ×３０ｃｍ×５ｍｍの磁性材料ＥＰＣＯＳＮ９５のブロックを含み、中心軸が構造の対称面から−７５ｍｍ、０ｍｍ、および＋７５のところに配置されている、３本の３×３／４×１’のアルミニウム（合金６０６３）の中空正方形管（肉厚１／８”）を用いて、５０ｃｍ×５０ｃｍ×４ｍｍの場偏向器に熱的に接続されている構造がシミュレートされた。場偏向器および中空管に起因する摂動Ｑが（中空管のない同一構造に対する１７１０に比べて）１４００であることが分かった。シールドおよび管において散逸した電力は３５．６Ｗと計算され、他方、磁性材料において散逸した電力は５８．３Ｗであった。構造が空気対流および放熱および２４℃の周囲の温度によって冷却されると仮定すると、構造内の最高温度は（中空管の間のほぼ中間にある磁性材料内の点において）８５℃であり、他方、中空管に接触している磁性材料の一部における温度は約６８℃であった。比較すると、熱伝導性中空管のない同一の共振器が、同一の４０Ｗピークの励磁電流に対して磁性材料において６２．０Ｗを散逸し、磁性材料における最高温度が１１１℃であることが分かった。

導電性細長片の利点は、管と良い熱的接触にある磁性材料の一部に欠陥を導入する場合でも、さらに明らかである。磁性材料の中心に置かれ、かつ、双極子モーメントに垂直に配向された、長さ１０ｃｍおよび０．５ｍｍの空隙は、磁性材料において散逸された電力が６９．９Ｗ（前述した欠陥のない例に比べて追加の１１．６Ｗは、その空隙の近くに高度に集中している）まで増加するが、導電性管は、磁性材料における最高温度が、１１℃〜９６℃の比較的緩やかな上昇のみであることを保証する。対照的に、導電性管がない場合の同様の欠陥は、その欠陥の近辺で１６１℃の最高温度となる。導電性管本体を大きな熱質量と熱的に接続することまたはそれらを能動的に冷却することなど、対流および放熱以外の冷却手段は、同じ電流レベルで、この共振器に対するさらに低い動作温度をもたらし得る。

実施形態では、材料の熱伝導性細長片は、磁性材料内に不規則な間隙を生じ得る亀裂が入る最も高い可能性を有し得る領域に位置付けられ得る。かかる領域は、材料上に高応力もしくは歪みのある領域、または共振器のパッケージからの支援または支持が弱い領域であり得る。戦略的に配置された熱伝導性細長片は、亀裂または不規則な間隙が磁性材料内にできる時に、磁性材料の温度がその限界温度以下で維持されるであろうことを確実にし得る。限界温度は、磁性材料のキュリー温度、または共振器の特性が所望の性能パラメータを超えて劣化する任意の温度として定義され得る。

実施形態では、放熱構造は、磁性材料に対する機械的支持を提供し得る。実施形態では、放熱構造は、共振器に対して、外部の衝撃および振動のみならず、（熱膨張、磁気歪み、および同類のものに起因する）その素子の固有の寸法における変化に対する非常に大きな耐性を提供するように、（例えば、エポキシ、熱パッド、および構造の異なる素子と熱的に接続するための適切な機械的特性を有する同類のものを使用することにより）所望の量の機械的弾力性を有し、亀裂および他の欠陥が生じるのを防ぐように設計され得る。

共振器が、磁性材料に巻き付いた直交巻線を含む実施形態では、導体材料の細長片が、２つの直交する隣接したループの組によって区切られた領域内の磁性材料と熱的に接触するように調整され得る。実施形態では、細長片は、磁性材料と少なくとも１つの点で熱的に接触しながら、少なくとも１つの直交巻線の導体の周囲に適するように適切な刻み目を含み得る。実施形態では、磁性材料は、隣接するループの間に置かれた、いくつかの熱伝導性ブロックと熱的に接触している可能性がある。熱伝導性ブロックは、次いで、良熱導体によって熱的に相互に接続および／または放熱され得る。

本明細書の記述全体を通して、材料の熱伝導性細長片という用語は、材料の形状の例示的な見本として使用されており、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、任意の形状および外形で置き換え得ることを理解すべきである。正方形、楕円形、細長片、ドット（dot）、細長形状、および同類のものは全て、本発明の精神の範囲内である。

無線エネルギー伝達システムにおける通信
無線エネルギー伝達システムは、エネルギーを確実に所定の供給源から所定の装置に伝達させるために検証ステップを要しうる。無線エネルギー伝達システムにおいて、供給源および装置は、物理的に接触する必要はなく、センチメートルレベル以上の距離で分離させてもよい。互いの無線送電範囲内に存在する複数の供給源または複数の装置を備えたいくつかの構成においては、相互に電力を伝達する供給源および装置を測定、決定または検証する必要があり得る。

エネルギー伝達の検証は、無線エネルギー伝達システムで帯域外通信チャネルが使用される場合に重要であり得る。帯域外通信チャネルを用いて、無線エネルギー伝達システムの異なるコンポーネントにデータを転送してもよい。供給源と装置の間、複数の装置、供給源などの間の通信により無線エネルギー伝達を調整または無線エネルギー伝達システムのパラメータを調節することにより効率、電力供給などを最適化しうる。

いくつかの実施形態においては、信号伝達および通信のすべてを、エネルギー伝達に用いられるのと同じ場を用いる帯域内通信チャネルを使用して行ってもよい。帯域内通信チャネルのみを用いることにより、個別の検証ステップを必要としないという利点がある可能性がある。ただし、いくつかの実施形態では、個別の帯域外通信チャネルがより望ましい場合もある。帯域外通信チャネルはより安価であり得、より高いデータレートに対応し得る。近距離無線通信を用いない帯域外通信チャネルは、共振器の発見を可能とするより遠距離に対応し得る。同様に、個別の帯域外通信チャネルは、共振器および通信に電力を供給する必要がない可能性があり、同様に、送電を途絶させることなく通信が行われ得る。

帯域外通信チャネルは、共振器によりエネルギー伝達に使用される磁場を用いないチャネルである。通信チャネルは、エネルギー伝達共振器および磁場から分離された個別のアンテナおよび個別の信号伝達プロトコルを用い得る。共振器を用いない、またはエネルギー伝達に用いられる場を変調する帯域外通信チャネルは、システムの効果的なまたは有用なエネルギー伝達範囲と異なる範囲または有効距離を有し得る。帯域外通信チャネルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、Ｚｉｇｂｅｅ技術などを用いて、もしくはそれらに基づき、数メートルまたは数百メートル以上にも及んで有効であり得、一方、無線エネルギー伝達は、数センチメートルまたは３０センチメートル以上に及ぶ有効範囲であり得る。範囲、性能、または能力における差は、無線エネルギー伝達システムの整合性に影響を及ぼしうる。

例えば、帯域外通信モジュール１８０４、１８１８をそれぞれ備える２つの装置共振器１８０２、１８１６およびそれ自体の帯域外通信モジュール１８０８、１８１２をそれぞれ備える２つの供給源共振器１８０６、１８１０を含む、図１８に示される無線エネルギーシステムの配置を考える。システムは帯域外通信チャネルを用いてエネルギー伝達を調節および調整し得る。通信チャネルを用いて近接する共振器を発見または検出することにより、送電を開始し、かつ個々の共振器の出力、インピーダンス、周波数および同類のものなどの動作パラメータの調節を伝達し得る。

状況によっては、装置共振器は１つの供給源と不適切に通信し、他の供給源共振器からのエネルギーを受信し得る。エネルギー伝達チャネルと通信チャネルが異なることにより、エネルギー伝達の調整、すなわち共振器の動作点の調節に用いられる通信は、無線エネルギー伝達チャネルのパラメータに影響しない可能性があるため、性能、安全性、および信頼性の問題が生じうる。

一例では、装置共振器１８０２から遠くに位置する別の供給源共振器１８１０に弱結合する、図１８に示す供給源共振器１８０６のうち１つのみに、装置共振器１８０２が強結合して、極めて接近していてもよい。いくつかの例では、干渉などにより、帯域外通信信号が、エネルギー伝達に用いられる共振器間の結合がより弱い供給源１８１０と装置１８０２の対に対するよりも、共振器間の結合がより強い供給源１８０６と装置１８０２の対に対して作用しない場合がある。別の装置１８１６が供給源１８０６によって無線エネルギー伝達を開始する場合、装置１８０２は、遠く離れた供給源１８１０を備える帯域外通信チャネル１８１４を有するとともに、極めて近接した供給源１８０６から電力を受信しうる。したがって、装置１８０２はエネルギーを受け取る供給源と連絡しないため、エネルギー伝達を調節しようとする装置１８０２のいかなる試行も失敗に終わる。

このように、通信および制御チャネルとエネルギー伝達チャネルの間が不通であることにより、他のシステムレベルでの信頼性および制御問題が発現し得、安全性および安定性の脆弱性に繋がり得る。無線エネルギー伝達チャネルの個別の検証ステップが必要である場合がある。当業者には理解されるように、この例は、その必要を示す単なる一例であり、システムの多くの構成および配置はエネルギー転送検証ステップから直接的または間接的に恩恵を受け得る。

実施形態では、供給源および装置により使用されるエネルギー伝達チャネルおよび通信チャネルを、同じ外部供給源および装置に確実に結合させる追加の検証ステップを設けることにより、これらの潜在的な問題を回避し得る。

実施形態では、検証ステップは、無線エネルギー伝達チャネルを介した情報交換または信号伝達を含み得る。エネルギー伝達チャネルまたはエネルギー伝達チャネルの場を用いた通信もしくは情報交換を含む検証ステップを用いて、帯域外通信チャネルの対応精度を検証し得る。

帯域外通信チャネルを用いる実施形態では、検証ステップは間接的または直接的であり得る。ある実施形態では、検証は間接的であってもよい。実施形態において、エネルギー伝達チャネルは、監視およびエネルギー伝達チャネルの動作と帯域外情報交換に応じて予想される動作またはパラメータの比較により間接的に検証し得る。エネルギー伝達チャネルは、帯域外通信に応じたエネルギー伝達チャネルの動作およびパラメータの監視により間接的に検証し得る。例えば、エネルギー伝達を増大させると予想される帯域外交信の後、無線エネルギー伝達チャネルおよび無線エネルギー伝達に用いられる共振器のパラメータを観察してもよい。観察された装置における受給電力の増加を用いることにより、帯域外通信チャネルおよびエネルギー伝達チャネルが正確に識別されるかを推測し得る。

実施形態では、間接的な検証ステップは、多数の無線エネルギー伝達のパラメータまたは無線エネルギー伝達に用いられる共振器およびコンポーネントのパラメータの観察を含み得る。実施形態では、電流、電圧、インピーダンス、周波数、効率、温度などを観察し、帯域外交信の結果として予想される値、傾向、変化などと比較しうる。

実施形態では、供給源または装置ユニットは、測定したパラメータおよび交信の結果それらのパラメータに対して予想される値、傾向、変化のテーブルを維持し得る。装置の供給源は、エネルギー伝達チャネルの検証に用いられる通信の履歴および観察されたパラメータの変化を保存し得る。ある場合において、交信による、単独の予想外のパラメータ変化では、帯域外通信チャネルが不適切に組み合わせられたと決定するには十分に決定的でないこともある。いくつかの実施形態では、いくつかまたは多くの交信にわたりパラメータ変化の履歴をスキャンまたは監視することにより検証を行い得る。

図１９Ａに、帯域外通信を用いる無線エネルギー伝達システムにおけるエネルギー伝達チャネルを間接的に検証するために用い得る一連の工程を示すアルゴリズム例を示す。第１のステップ１９０２では、供給源と装置の間の帯域外通信チャネルが確立される。次のステップ１９０４では、供給源および装置は、無線エネルギー伝達のパラメータまたは無線エネルギー伝達に用いるコンポーネントのパラメータの調節に関する情報を交換し得る。帯域外通信チャネル上の情報交換は、エネルギー転送を制御および調節するためにシステムの通常動作で用いられる通常の交換であってもよい。いくつかのシステムでは、帯域外通信チャネルは、盗聴、なりすましなどを防止すべく暗号化し得る。次のステップ１９０６では、供給源および装置または供給源のみもしくは装置のみが、無線エネルギー伝達のパラメータの変化または無線エネルギー伝達に用いるコンポーネントのパラメータの変化を監視および記録し得る。記録された変化を、帯域外交信の結果としてパラメータに予想される変化と比較してもよい。１つまたは多数の観察したパラメータ変化が、予想されたパラメータ変化に対応しない場合、検証は失敗したと考えられる。

無線エネルギー伝達システムのいくつかの実施形態では検証は直接的であってもよい。実施形態では、供給源または装置は、無線エネルギー伝達のパラメータまたは無線エネルギー伝達に用いる共振器のパラメータの変更、ディザリング、修正などを行い、エネルギー伝達チャネルを介して供給源または装置に検証用信号を伝送または供給し得る。直接的検証は、無線エネルギー伝達のいくつかのパラメータまたは検証を直接的な目的とするエネルギー伝達に用いる共振器およびコンポーネントのパラメータ改変、変更、調整などを含み、エネルギー転送の最適化、調整、または調節には関連しない。

無線エネルギー伝達のいくつかのパラメータまたは他の無線エネルギー共振器またはコンポーネントとの信号伝達もしくは通信を目的とするエネルギー伝達に用いる共振器およびコンポーネントのパラメータ改変、変更、調整などは、帯域内通信と呼び得る。帯域内通信は、エネルギー転送に用いるその場または構造によって特徴付けられる。実施形態では、磁場または無線エネルギー伝達に用いる共振器のパラメータを調整することにより、帯域内通信チャネルを無線エネルギー伝達共振器およびコンポーネントの一部として構築し得る。共振器のパラメータを変更することにより、情報を１つの共振器から別の共振器に伝送し得る。インダクタンス、インピーダンス、抵抗、および同類のものなどのパラメータを、１つの共振器によりディザリングまたは変更し得る。これらのインピーダンスの変化は、信号共振器の周囲の他の共振器のインピーダンス、抵抗、またはインダクタンスに影響を及ぼし得る。変化は、検出され、メッセージに複合化され得る共振器上の電圧、電流などの対応するゆらぎの形で現れ得る。実施形態では、帯域内通信は、エネルギー伝達に用いられる磁場の電力レベル、周波数などの変更、改変、調整などを含み得る。

一実施形態では、直接的な帯域内検証は、帯域外通信チャネルの確立後に行い得る。供給源および装置は、帯域外通信チャネルを用いて、電力伝達能力および帯域内信号能力に関する情報を交換し得る。その後、供給源と装置の間の無線エネルギー伝達が開始される。供給源または装置は、他の供給源または装置に対し、帯域内通信チャネルを用いて信号を伝達するよう要求または呼掛けすることにより、帯域外および通信チャネルとエネルギー伝達チャネルの間の接続を検証し得る。チャネルは、帯域外通信チャネル内で確立された合致する信号が帯域内通信チャネルで観察されるときに検証される。

実施形態では、検証は、エネルギー伝達開始時など、エネルギープロトコルの特定のまたは所与の時間のみに行われ得る。他の実施形態では、直接的な検証ステップを、無線エネルギー伝達システムの通常動作中に定期的に行ってもよい。検証ステップは、物理的配向が変化したことが信号伝達されうる、無線送電の効率または特徴が変化する際に開始され得る。実施形態では、通信コントローラは、エネルギー伝達特性の履歴を維持し得、特徴の変化が観察された際に、共振器を用いた信号伝達を含む伝達の検証を開始し得る。エネルギー伝達特性の変化は、エネルギー伝達の効率ならびに共振器または共振器および電力・制御回路のコンポーネントのインピーダンス、電圧、電流などで観察されうる。

当業者は、メッセージを伝送可能な信号伝達および通信チャネルが、任意の数の暗号化、認証、およびセキュリティアルゴリズムで保護され得ることを理解するであろう。実施形態では、帯域外通信は暗号化され得、帯域内チャネルにおける検証のために、保護された通信チャネルを用いて乱数列を伝送し得る。実施形態では、帯域内通信チャネルは、任意の既知のセキュリティ・暗号化プロトコルおよびアルゴリズムにより暗号化、ランダム化、または保護され得る。セキュリティおよび暗号化アルゴリズムは、供給源と装置との適合性を確認および検証に使用され得、認証・確認用の公開鍵基盤（ＰＫＩ）および二次通信チャネルを用い得る。

供給源と装置の間のエネルギー伝達システムの実施形態では、装置は、エネルギー伝達チャネルが所望のまたは想定された供給源から確実にエネルギーを受け取るよう、エネルギー伝達チャネルを検証し得る。供給源は、エネルギーが所望のまたは想定された供給源に確実に伝達されるよう、エネルギー伝達チャネルを検証し得る。いくつかの実施形態において、検証は二方向的であってもよく、供給源および装置の両方が、１つのステップまたはプロトコル動作でエネルギー伝達チャネルを検証し得る。

図１９Ｂに、帯域外通信を用いる無線エネルギー伝達システムにおけるエネルギー伝達チャネルを直接的に検証するために用い得る一連の工程を示すアルゴリズム例を示す。第１のステップ１９０８では、供給源と装置の間の帯域外通信チャネルが確立される。次のステップ１９１０では、供給源および装置は、無線エネルギー伝達チャネルを介して伝送され得る信号伝達プロトコル、方法、方式などを調整するかまたはこれらに一致し得る。盗聴を防ぎ、セキュリティをもたらすため、帯域外通信チャネルは、暗号化され得、供給源および装置は、任意の数の暗号認証プロトコルを採用し得る。暗号化プロトコルにより可能となるシステムでは、検証コードは、呼掛け（challenge）−応答（response）型のやりとりを含み得、さらなるセキュリティレベルおよび認証能力をもたらし得る。装置は、例えば、共通の秘密暗号化キーまたはプライベートキーを用いて帯域外通信チャネルを経由して供給源に送信する、ランダムな検証コードを暗号化するよう供給源に呼掛け（チャレンジ）し得る。帯域外通信チャネル内で伝送された検証コードは、その後、帯域内通信チャネルを介して信号伝達１９１２され得る。供給源および装置で暗号化プロトコルが有効な場合、帯域内通信チャネル内で信号伝達される検証コードは、送信元により可逆暗号化機能を用いて暗号化または修正され得、受信側がさらに送信元を認証し、帯域内通信チャネルが、帯域外通信チャネルに結合された同じ供給源または装置と連結されていることを検証することが可能となる。

検証が失敗した状態では、無線エネルギー伝達システムは検証を再試行しようとする。いくつかの実施形態において、システムは、帯域内通信チャネルを用いて再信号伝達するための別の検証シーケンスをやりとりすることにより、無線エネルギー伝達チャネルを再検証しようとし得る。いくつかの実施形態では、システムは、帯域内通信チャネルが機能しなかったことを検証する試行の後に、帯域内通信チャネルの検証に使用する情報のシーケンスまたは型を改変または変更し得る。システムは、帯域内通信検証コードの信号伝達の型、プロトコル、長さ、複雑さなどを変更し得る。

ある実施形態においては、帯域内通信チャネルおよび、ひいてはエネルギー伝達チャネルにおける検証が失敗した後、システムは、帯域内通信チャネルにおける信号伝達方法の電力レベル、変調強度、変調周波数などを調節し得る。例えば、装置による供給源の検証が失敗した後、システムは、より高いエネルギー伝達レベルで検証を行おうとし得る。システムは、より強い磁場を発生させる供給源の出力を増加させ得る。別の例では、装置による供給源の検証が失敗した後、その供給源共振器のインピーダンスを変更させることにより、検証コードを装置に伝達した供給源は、信号伝達のために、供給源共振器のインピーダンスの変化量を増加または倍増すらさせ得る。

実施形態では、エネルギー伝達チャネルの検証が失敗した後システムは、帯域外通信チャネルを用いて他のありうる供給源または装置を探査、検出、または発見しようとし得る。実施形態では、帯域外通信チャネルを用いて、無線エネルギー伝達のための他のありうる候補を検出してもよい。いくつかの実施形態では、システムが出力電力または帯域外通信チャネルの範囲を変更または調節することにより、誤ったペアリング（組み合わせ）を最低限に抑え得る。

帯域外通信チャネルは、電力変調され、いくつかのモード、供給源を検出するための長距離モードまたは短距離モード、言い換えれば低電力モードを有し得、極めて近接した別の装置または供給源との通信を確実にし得る。実施形態では、帯域外通信チャネルは、それぞれの用途のための無線チャネルの範囲に適合させ得る。エネルギー伝達チャネルの検証が失敗した後、帯域外通信チャネルの出力電力は徐々に増加し得、その結果無線エネルギー伝達のための他のありうる供給源または装置を検出し得る。上述したように、帯域外通信チャネルは、エネルギー伝達チャネルの干渉および障害とは異なり得る干渉および障害を示し得、帯域外通信のためにより高い電力レベルを必要とし得る供給源および装置は、無線エネルギー伝達を可能にする程度に近接し得る。

いくつかの実施形態では、帯域外通信チャネルは、閉鎖空間（すなわち、車両下）でのみ有効となるように、遮蔽または位置決めにより配向され、配置され、向けられることにより、エネルギー転送のために十分近くで近接した、位置にある、配向された別の供給源または装置との通信を確立することのみを確実にし得る。

実施形態では、システムは、帯域外通信チャネルを確立するかまたは帯域内エネルギー伝達チャネルを検証するために、１つまたは複数の補助情報源を使用し得る。例えば、帯域外通信チャネルが初めて確立される間、供給源または装置の位置を、無線供給源または装置の位置の既知のマップ位置またはデータベースと比較し、エネルギー転送が最も成功しそうな対を判定し得る。帯域外通信チャネルの発見は、ＧＰＳ受信機からのＧＰＳデータ、位置決めセンサーからのデータなどにより補完されうる。

無線エネルギー伝達を用いる光起電力（ＰＶ）パネル
外部太陽ＰＶパネルから内部捕捉モジュールまたは別の太陽ＰＶパネルに無線送電するために供給源共振器および捕捉共振器を用い得るシステムを説明する。実施形態では、太陽ＰＶパネルは、別の太陽ＰＶパネルを構成し得るかまたは建物、車両、船などの内部にあり得るか、またはパネルの実装用構造物を構成し得る、１つまたは複数の共振器に、太陽発電電力を太陽ＰＶパネルから伝達する、１つまたは複数の共振器を有する。

実施形態では、１つまたは複数の共振器を一体化して太陽ＰＶパネルアセンブリとしてもよい。共振器は、パネルの外周部に組み込んでもよいし、光パネルの起電力素子の下に収まるよう設計してもよい。共振器は、ＰＶパネルの面にほぼ直角な磁場を発生させるよう設計および配向されてもよく、これによりパネルの背面に配置されうる共振器と効率的に結合することが可能となる。実施形態では、ＰＶパネルに一体化された共振器を、磁場がパネルの表面にほぼ平行になるように設計および配置してもよく、これによりパネルの側面にある同様の共振器と効率的に結合することが可能となる。他の実施形態では、ほぼ全方位性の磁場を発生するよう共振器を設計および配向してもよい。一体化共振器を用いる実施形態では、物理的接触または直接的な電気的接続は必要とされない。

図２０は、いくつかの可能性のある共振器の配向および位置を示す３つの一体化された共振器の概要を含む、矩形ＰＶパネル２００２の図を示す。共振器は、パネルの外周部２００１に組み込んでもよい。共振器は、ＰＶパネルの内部または背面の任意の場所２００３に配置してもよく、磁場がパネルの角の外へ向くよう配置された共振器２００４のように、様々なサイズおよび配向を有し得る。図示しないが、共振器は、共振器からの外乱および損失を低減するために適当な遮蔽および磁場ガイドを備え得る。

実施形態では、ＰＶパネルの共振器は、主要パネル本体アセンブリの外にあってもよい。ケーブルまたは配線コネクタでＰＶパネルを共振器に取り付けてもよい。本実施形態では、共振器の位置および配向を、ＰＶパネルの位置とは無関係に選択および変更してもよく、システムの取付けおよび配置により自由度をもたらす。本実施形態では、ＰＶパネルの共振器は、ＰＶパネルを移動する必要なしに受信共振器と並べ得る。図２１は、ＰＶパネルに配線接続２１０２された外部共振器２１０１を備えるＰＶパネル２１０３の実施形態を示す。

実施形態では、ＰＶパネルは２つ以上の共振器を含んでもよい。ＰＶパネルは、１つまたは複数の内部共振器を含み得、１つまたは複数の外部共振器を有し得る。共振器は、ＰＶパネルに対して様々な配向および位置で設置される共振器にエネルギー伝達することが可能なように、異なる配向で位置合わせおよび配置され得る。実施形態では、ＰＶパネルの複数の共振器を同時に用いて他の共振器に電力を伝達し、そこから電力を受信し得る．例えば、ＰＶパネルの１つの共振器を用いて別のＰＶパネルから電力を受信してもよく、その他の共振器のうちの１つを用いて建物の中の装置または共振器に電力を伝達してもよい。ＰＶパネルシステムは、異なりうる共振器構成を含む様々なパネル設計を採用し得る。

一体化された共振器を備えるパネルでは、パネルは、孔、貫通配線、またはコネクタのいずれも必要としない。ＰＶパネルおよび共振器を制御する電子素子は、すべてパネル内に組み込んでもよい。パネルはこうして完全に密閉し、防水性とすることができ、水分、粉塵、汚損、虫などから完全に保護することができる。いくつかの実施形態では、ＰＶパネルの筐体は、好ましくは部分的または完全に透磁材料で構成され得、これにより、効率的な磁気結合が可能となり、エネルギー伝達における損失の最小化が可能となりうる。ある実施形態においては、磁石を用いて透磁材料を備えるＰＶパネルを固定してもよい。ＰＶパネルは、任意のサイズ、形状、および次元のものであり得、図示された形状寸法に限定されない。共振器およびＰＶパネルは、任意の形状寸法のものであってよく、例えば車両の外形に従うよう成形されてもよい。共振器およびＰＶパネルは伸縮自在であるか、蝶番式であってもよく、不使用時にチューブに巻き付けられるか、折りたたまれるように設計してもよい。

本発明によれば、ＰＶパネル共振器から装置に電力を供給する共振器または建物、車両などの電気ネットワークに結合する共振器に電力を無線で伝達してもよい。

一実施形態では、共振器を備えるＰＶパネルを用いて直接または無線で装置に電力を供給してもよい。ＰＶパネルの磁気共振器に結合可能な装置は、無線でエネルギーを受信してそれらの電子素子に電力を供給するか、またはバッテリーを再充電することができる。装置共振器を調整して、ＰＶパネルの共振器と結合させることができる。無線送電のための一体化されたまたは外部の共振器を備えるＰＶパネルは、多くの環境および用途で展開し得る。ＰＶパネルは、恒久的または一時的に車両、建物、工具箱、飛行機、および他の同類の構造に取り付けまたは設置されてもよく、太陽エネルギーから無線電力を供給する。無線送電では、装置をＰＶパネルに接続するために配線を必要とせず、したがって、ＰＶパネルは電力を必要とする領域に容易に設置または配置することができる。

例えば、図２２に示すように、上記無線送電共振器を備えるＰＶパネルを車両のルーフ２２０２、トランク２２０３、サイドパネル２２０４、またはボンネット２２０１に取り付けてもよい。車両内の電子素子に電力供給またはこれらを充電するために、ＰＶパネルからのエネルギーは、ＰＶパネルの共振器によって、車両の屋根、トランク、サイドパネル、またはボンネットを経て無線で車両に伝達してもよい。共振器を備える装置は直接ＰＶパネルの共振器に結合して電力を受信することができる。携帯電話機、ノート型パソコン、ゲーム機、ＧＰＳ装置、電気工具および同類のものなどの装置は、車両内の暗い、閉鎖された空間にある場合でも、配線を要せずに、太陽光発電に由来するエネルギーによって無線で充電またはそれらの装置に電力を供給することができる。無線送電を用いるＰＶパネルは、ピックアップトラックの上またはその積載台上に取り付けてもよく、これにより例えば、トラックの後部に格納されたバッテリーまたはバッテリー式工具の無線充電が可能となる。

別の例では、ＰＶパネルを自動車の外面に装着してもよい。車両の内部、車両のルーフ、ボンネット、またはトランクの下の、車両の電気系統に結合された捕捉共振器は、エネルギーをＰＶパネルの共振器から捕捉することができる。太陽エネルギーを用いて、車両に電力を供給、バッテリーを再充電、または車両の他の周辺機器に電力を供給することができる。無線送電では、ＰＶパネルは、パネルと車両の間のいかなる配線による接続も必要とせずに、車両に装着または後付けすることができるため、装着が単純化され、必要に応じて迅速に取り外すことが可能となる。

別の例では、図２３に示すように、無線電力伝送を用いるＰＶパネルを、日よけまたは日傘の上部に一体化してもよい。内部または外部共振器を備える、傘上のＰＶパネル２３０３、２３０４、２３０５、２３０６は、傘または日よけの下の陰に置かれたノート型パソコン２３０２または携帯電話機２３０１などの対応装置に電力を伝達し得る。

他の実施形態では、無線送電を用いるＰＶパネルを用いて、外部ＰＶパネルと内部電気系統の間のいかなる直接的な接触も要さずに、家屋、車両などの有線電力分配または電気系統に直接結合される共振器に電力を伝達し得る。例えば、上記共振器を備える太陽ＰＶパネルは、建物、車両などの外面に直接装着してもよい。構造物の電気系統に接続可能な建物、車両などの内部に共振器を実装してもよい。内部の共振器は、外部のＰＶパネルから電力を受信し、エネルギーを構造物の電気系統に伝達することができるため、電力系統に接続された装置に電力を供給することができる。実施形態では、ＰＶパネルから共振器によって受信された電力は、配電網に伝達することができるよう調整することができる。例えば、１つまたは複数の捕捉共振器は電力をインバータに供給し得、かかるインバータはその後、配電網に電力を供給する。

例えば、図２４の概略図に示すように、無線送電を用いるＰＶパネルを、建物の外部屋根に装着してもよい。建物の電気系統に結合される共振器は、ＰＶパネル背面の屋根の下面の内側に実装され得る。配線のために建物の外装にいかなる穿孔または貫通を必要とすることなく、外部ＰＶパネルから建物の内部の電気系統に電力が伝達され得る。ＰＶパネルからの太陽光電力は、その後、建物の有線電気系統に接続された電気装置によって活用され得る。ＰＶパネルから捕捉された電気エネルギーはまた、配電網に取り付けられ得るブレーカーパネルに供給され得る。

無線送電を用いるＰＶパネルにより、設置および複数ＰＶパネルの接続が単純化され得る。無線送電は、接続に利用してもよく、システムを構成し得るいくつかのＰＶパネルから電力を捕捉し得る。

複数のＰＶパネルを用いる一実施形態では、各パネルは、有線電気系統に結合する装置または対応する共振器に電力を伝送する１つまたは複数の共振器を有し得る。建物の外部屋根に載置されるＰＶパネルは、例えばそれぞれ、電気系統に結合される建物の内部に対応する捕捉共振器を有し得る。自動車の外面に設置されるＰＶパネルは、例えばそれぞれ、車両内の様々な装置共振器に電力を供給し得る。このような実施形態では、各ＰＶパネルは他のＰＶパネルから独立している。このようなシステムの屋根構成の例の図を、図２５に示す。図における各ＰＶパネル２５０２は、屋根２５０１を介してエネルギーを建物内部に実装された共振器（図示せず）に直接伝送することができる共振器２５０３を有する。

複数のＰＶパネルを用いる別の実施形態では、パネルは相互間の無線送電を利用して１つまたは複数の専用パネルへ電力を伝達／専用パネルから電力を回収し得る。本実施形態では、少数の専用パネルのみが、電気系統に結合された装置または共振器に電力を伝送可能である。エネルギーは、１つまたはいくつかの点で収集・伝送される。このような実施形態では、隣接するＰＶパネルは互いに独立しているが、パネル間または電気系統の配線が必要とされないため、故障時には容易に設置または交換し得る。このようなシステムの屋根構成の例の図を、図２６に示す。１つまたは複数のパネル２６０６は、エネルギーを建物内部の共振器に伝達可能な共振器２６０５を有する。他の共振器からのエネルギーは、エネルギーを建物内に伝送可能なパネルに達するまで、パネルからパネルへと無線で伝達し得る。例えば、図２６では、パネル２６０１は、隣接するパネル２６０２に、それらの結合された共振器２６０７、２６０８を介して伝達し得る。同様に、パネル２６０２は、そのエネルギーおよびパネル２６０１からのエネルギーを、結合された共振器２６０３、２６０４を介してパネル２６０６に伝達し得る。パネル２６０６は、その後、パネル２６０１、２６０２、２６０６から生じるエネルギーを、建物内部の共振器（図示せず）に伝達し得る。

複数のＰＶパネルを用いる別の実施形態では、電力を複数のパネルから無線で受け取る追加の接続構造を用いることができる。共振器の構造は、ＰＶパネルの下または横に設置される取付細長片に装着してもよい。ＰＶパネルの共振器は、無線でそれらのエネルギーを細長片上の共振器に伝達し得る。細長片に接続される１つまたは少数の共振器を用いて、電力をすべてのパネルから電子システムに結合される装置または内部の共振器に伝達し得る。このようなシステムでは、一旦共振器細長片が装着されると、システムからパネルが取り外されるかまたは接続構造上もしくはその近傍にパネルを固定することによってシステムに追加され得る。このようなシステムの屋根構成の例の図を、図２７に示す。平坦な細長片状に成形された共振器２７０２の構造物を建物の屋根に装着してもよい。共振器２７０３を備えるＰＶパネル２７０１はエネルギーを細長片に伝達し得る。細長片は、その後、建物内部の共振器（図示せず）に結合される単独の共振器２７０５を用いて、配線を用いずに、すべてのパネルのエネルギーを内部に伝達し得る。パネルは、単にパネルを細長片上に載置するだけでシステムに追加し得、あるいはシステムから取り外し得る。

さらに別の実施形態では、複数のパネルを合わせて、それらの電力を、建物または車両内部の他の共振器に接続されるか結合される装置に無線で伝送可能な共振器に、物理的に接続することができる。

無線送電を用いる上記のすべての構成により、パネルから、建物または車両内の捕捉共振器へ無線で電力を伝達し得ることによって、すべての屋外配線、コネクタ、および電線管、ならびに構造物の屋根または壁を貫通する孔がなくなるため、ＰＶパネルを大幅に単純に設置可能となる。太陽電池とともに用いられる無線送電は、電気技師が屋根の上でパネル、ストリング、および接続箱を配線する作業をする必要をなくすため、屋根の危険性を低減できるという利点をもち得る。無線送電機能が一体化された太陽光発電パネルの設置は、必要とされる電気接触の形成が少なくなるため、必要とされる技能習得作業者も少なくなり得る。無線送電では、技術により、各太陽ＰＶパネルを個別に最適化および配置する能力が設置者に与えられるため、敷地専用設計があまり必要とされず、高価な技術およびパネルレイアウトサービスの必要が大幅に低減される。

無線送電では、ＰＶパネルは一時的に展開され得、周辺構造に永久的な変化を残さずに、その後移動または取り外し得る。それらは例えば、晴天の日に庭に出し、太陽を追うように位置を変え、または清掃または保管のために屋内に入れてもよい。裏庭または移動式の太陽光ＰＶ用途では、無線エネルギー捕捉装置を備える延長コードを地面に這わせるか、太陽光発電装置の近くに配置してもよい。捕捉延長コードは、素子から完全に密閉させ、電気的に絶縁させることができるため、いかなる屋内または屋外環境においても使用してもよい。

無線送電では、ＰＶ太陽発電パネルには配線または外部接続が必要とされず、完全にウェザーシールすることができる。ウェザーシールされた筐体が、ＵＶ放射、湿度、天候、粉塵などからコンポーネントを保護するため、太陽光ＰＶ発電および電送回路における電気コンポーネントの信頼性および寿命の大幅な改善を見込むことができる。無線送電およびウェザーシールされた筐体により、外部要因および天候要素に直接さらされなくなるため、より安価なコンポーネントを使用することが可能となり、したがって、ＰＶパネルのコストが低減され得る。同様に、無線送電を用いるＰＶパネルは、固定の有線接続を必要としないため、より汎用化および携帯しやすくすることが可能である。

実施形態では、ＰＶパネルと建物または車両内部の捕捉共振器の間の送電が双方向的であってもよい。パネルに、自己校正、位置調整、または保守作業に十分なエネルギーがないとき、エネルギーは、電力を供給するよう家屋の配電網からＰＶパネルに伝送され得る。逆潮流を用いて、パネルから雪を融解させる加熱素子に電力を供給でき、あるいは、パネルを光源に対してより望ましい位置に配置するモーターに電力を供給することができる。雪が融解した後、あるいはパネル位置が変更された後、ＰＶパネルからエネルギーを伝達することができる。

ある実施形態では、供給源共振器に結合される供給源電子素子は、少なくとも１つのハーフブリッジまたはフルブリッジスイッチング増幅器を含み得る。捕捉共振器に結合された捕捉電子素子は、さらにパワートランジスタを備える、少なくとも１つのハーフブリッジまたはフルブリッジ整流器を含み得る。これらの実施形態により、電源電子素子に接続されたエネルギー供給源からの無線送電が、捕捉電子素子に接続される負荷に供給可能となる。なお、供給源および捕捉電子素子の両方が、ハーフブリッジまたはフルブリッジスイッチング回路を用いる。したがって、これらの実施形態により、捕捉電子素子に接続されるエネルギー供給源が、電源電子素子に接続された負荷にエネルギーを伝達可能である場合、逆方向の無線送電も可能となる。これにより、例えば、バッテリー、フライホイール、容量、インダクタ、および同類のものなどのエネルギー貯蔵媒体から無線でエネルギーを伝達および回収することが可能となる。無線対応のＰＶパネルへの逆潮流により、上述のとおり雪の融解が可能となる。

共振器および無線送電回路は、調整および安全機構を備え得る。実施形態では、無線送電を用いるＰＶパネルは、無線コレクタへの最大かつ効率的な送電を確実にするよう、設置時の自動調整機能を備え得る。例えば、設置するごとの屋根材の違いまたはＰＶパネルと無線電力コレクタの間の距離の変動は、性能に影響を及ぼし、無線送電の共振器の特性に外乱を生じ得る。設置の複雑さを低減するために、無線送電コンポーネントは、それらの動作点を自動的に調整し、材料または距離によるいかなる影響をも補償するよう、調整能力を備え得る。周波数、インピーダンス、容量、インダクタンス、デューティサイクル、電圧レベルなどを調節して、効率的で安全な送電を確実にし得る。

共振器および無線送電回路は、ＰＶパネルからの最大電力抽出とともに抽出した電力の効率的な無線伝達を確実にする調整機能を備え得る。実施形態において、無線送電回路は、最適なエネルギー抽出のために等価負荷抵坑をＰＶパネルに加えつつ、共振器間のエネルギー伝達を行うよう構成されうる。このような無線電源は、現在可能であるよりもより広範な環境条件にわたって効率的にエネルギーをＰＶパネルから無線捕捉装置に伝達することができる。例えば、午前中に太陽照度レベル（言い換えると、放射量）が増加すると、ＰＶパネルの出力に加わるインピーダンスは、ＰＶパネルからの電力抽出を最大化するように減少する可能性がある。本明細書において、このような無線エネルギー供給源を、「無線エネルギー最大電力点追従制御装置（ＷＥＭＰＰＴ）」と呼ぶ。例えば、図２８Ａは、直列に接続された複数の光起電接合部を備える太陽電池パネルを示す。単純にするために、各光起電接合部は、電流源およびダイオードの並列組合せで示す。より現実的なモデルは、直・並列抵抗、変形ダイオードなどを含む可能性がある。パネルにより生成される電圧Ｖおよび電流Ｉは、太陽の放射照度、パネルの出力に示される等価抵抗Ｒに部分的に依存する。図２８Ｂは、Ｒおよび異なる太陽照度レベルのパラメータ変化のいくつかの例示的な曲線を示す。図２８Ｂはまた、所与の負荷抵抗ＲによりＰＶパネルから最大電力を抽出することができる、曲線上の点を示す。これは、最大電力点追従制御装置（ＭＰＰＴ）がパネルに示すＲの値である。

図２８Ａに示す回路モデルでは、抵抗Ｒに流れる電流は、

であり、Ｉ_{ｓｏｌａｒ}は太陽光発電による電流であり、Ｖはパネル全体の電圧であり、Ｎはパネル内のセルの数であり、Ｉ_ｓは逆方向飽和電流であり、Ｖ_ｔｈは２５℃の温度においておよそ０．０２６Ｖである。無線伝達可能な、パネルから抽出された電力は、単にＶ×Ｉ_{ｓｏｌａｒ}である。Ｖに関する電力の導関数の根が最大電力点電圧となる。
Ｖ_ＭＰＰＴ＝ＮＶ_ｔｈ［Ｗ（ｅ（Ｉ_{ｓｏｌａｒ}＋Ｉ_ｓ）／Ｉ_ｓ）−１］（４）
式中、Ｗ（ｚ）は、ｚ＝Ｗ（ｚ）ｅ^Ｗ（ｚ）の逆関数で定義されるランベルトのＷ関数、言い換えれば対数積（product-log）関数である。図２９は、ＰＶパネルまたはアレイの電流の関数としての最大電力点電圧のグラフを示す。この例については、ＷＥＭＰＰＴによりＰＶパネルに示されるであろう最大電力における抵抗は、図２９に示す曲線の傾きである。図３０は、この抵抗および、それが、６０セル、面積１ｍ^２、常温動作の例示的なパネルに太陽照射するとどのように変化するのかを示す。例えば、１ｋＷ／ｍ^２の放射照度により、アレイ電流はおよそ８Ａとなり、最適な抵抗は４Ωとなる可能性がある。放射照度が０．２ｋＷ／ｍ^２まで低下した場合は、最適抵抗は１２．５Ωとなる可能性がある。一実施形態では、無線電力源はＰＶパネルに対して一定の抵抗のみを示し得る。そして、効率損失が起こり得る。上記の例について、０．２ｋＷ／ｍ^２の放射照度における効率は、１ｋＷ／ｍ^２の場合と比較して１／４よりも低く、そのため、抽出電力は１／２０よりも減少する。別の実施形態では、ＷＥＭＰＰＴ構成を用いることにより、その例における放射照度での効率が維持され得、その結果、抽出電力は、太陽光放射照度にほぼ比例する。

実施形態では、無線エネルギー供給源を、ＤＣ−ＤＣコンバータを含み得、ＰＶパネルに接続される、従来のＭＰＰＴ回路の出力部に接続させることができる。図３１Ａはこのような１つの実施形態を示す。本実施形態では、ＭＰＰＴ回路と無線エネルギー供給源の両方における電力散逸により、システム効率の損失が生じ得る。図３１Ｂは、無線エネルギー供給源が、別個のＭＰＰＴ回路のさらなる効率損失を招くことなく、別個のＭＰＰＴ回路の挙動を模倣することができる、より効率的な実施形態を示す。図３１Ｃは、無線エネルギー捕捉回路が、効率的な無線エネルギー捕捉とともに電流または電圧の出力レベルの制御を可能にする別の実施形態を示す。実施形態では、図３１Ｃで「直流電流または電圧変換を行う整流器」と示されるこのような回路は、ハーフブリッジまたはフルブリッジスイッチング回路を用いて実現可能である。実施形態では、整流器は、デューティサイクルおよび／または装置（および／または電源）のＰＷＭ波形の位相を調節し、無線エネルギー捕捉および電圧または電流制御に影響を及ぼす。整流器はまた、装置共振器を通って流れる振動電流に関するスイッチのスイッチング時間を調整することにより、無線エネルギーを効率的に捕捉するとともに、電圧または電流制御を維持する。

ＷＥＭＰＰＴを備えるＰＶパネルにより、ストリング内の異なるパネルが、異なる放射照度レベルまたは異なる環境条件を経験する場合のパネルのストリングの設置が単純化され得る。直列接続されたＰＶパネルのストリングは、単独のパネルが供給できるよりも高い出力電圧を生じるのに有用である。高出力電圧は、グリッドタイインバータ、オフグリッドインバータ、充電装置用の充電制御装置、および同類のものなどの負荷素子により適合し得る。実施形態では、それぞれが連結されたＷＥＭＰＰＴを備える複数のＰＶパネルは、屋上または他の外部表面に設置され得、パネル間で異なるレベルの照射にさらされ得る。屋根の下または内側表面では、複数のエネルギー捕捉装置は、供給源から無線エネルギーを受信し、それらの出力部を連結させ得る。図３２は、ＰＶセル３２０２、３２０４、３２０６、３２０８、３２１０の供給源共振器から無線エネルギーを受信する装置共振器３２２４、３２２６、３２２８、３２３０、３２３２の出力部を連結させて屋根の下のストリングとする実施形態を示す。実施形態では、捕捉装置の出力部を直列に連結して正味電圧を増大させる。実施形態では、捕捉装置は、電流または電圧調節３２１２、３２１４、３２１６、３２１８、３２２０を備え、それらの出力部を直列に連結して、定電流または電圧３２２２でより高い電圧を発生させる。実施形態では、捕捉装置は、電流または電圧調節３２１２、３２１４、３２１６、３２１８、３２２０を備え、それらの出力部を並列に連結して、定電流または電圧３２２２でより大きな電流を発生させる。

実施形態において、ＷＥＭＰＰＴ構成は、増幅器内のトランジスタ用のスイッチング時間の位相角の自動調整機能を有するスイッチング増幅器を備える無線エネルギー供給源において実現され得る。スイッチが開いているときと、スイッチを通って流れる電流の方向が変わるときの時間関係により、１つの位相角が決定され、ここではφで表される。ここではγで表す別の位相角は、スイッチを分岐するダイオードが導通するときとスイッチが閉じるときの関係を示す。これにより、パネルからのエネルギー抽出およびかかる抽出エネルギーの効率的な無線伝送の両方に有利となるようエネルギー供給源の特徴を調整に２つの自由度がもたらされる。より詳しくは、図３３に示す増幅器は、実質的に整合された交流出力インピーダンスをインピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）に同時に示しつつ、ＰＶパネルに最適抵抗Ｒ_ｄｃを示すことができる。これにより、供給源ループを介して装置ループに、装置ＩＭＮを介して、整流器に、抽出エネルギーを効率的に伝達することが可能となる。

図３４は、最適抵抗Ｒ_ｄｃをＰＶパネルに供給するために用いることができるハーフブリッジ増幅器の例を示す。このような増幅器の例示的な波形を、操作スイッチＳ１およびＳ２の２つの異なるタイミング構成の図３５Ａおよび３５Ｂに示す。図３５Ａは、高効率ＡＣ波形を実現するためのタイミング構成の例を示す。電流ｉ_ａｃの符号が変わるとき、また電圧ｖ_ａｃがＶ_ｄｃ／２に達するとき、どのようにスイッチＳ１がまさにその瞬間に閉じられるかに注意する。閉じる間、スイッチＳ１は、ゼロ電流およびゼロ電圧スイッチングを経験すると言われている。少し前に、φ／ωとして定義され、スイッチＳ２が開かれ、ゼロ電圧スイッチングを経験した。Ｓ２が開かれた後半周期後、Ｓ１が開き、ゼロスイッチングを経験する。これらの条件により、スイッチにおける損失がほぼゼロになる。高効率スイッチングは、無線エネルギー伝送装置の様々なａｃ負荷とのインピーダンス整合に自由度をもたらしつつ、様々な値のφ／ωの異なる設計用に実現できる。ＰＶパネルに示されるｄｃ抵抗を調節するにはさらなる自由度が必要とされる。１つのこのような自由度は、どのようにＳ２を図３５Ａよりもわずかに早く開くことができるかを示す図３５Ｂに示される。ｖ_ａｃの値は、その後Ｓ１が閉じる前にＶ_ｄｃ／２に達し、電流ｉ_ａｃは、その後電流がゼロを通過するまでダイオードＤ１に流れる（オンにする）。ダイオードＤ１は、スイッチＳ１がほぼゼロ電圧条件で閉じるγ／ωの間オン状態を維持する。なお、ほぼゼロ電圧スイッチングはダイオードにより保たれるが、ゼロ電流スイッチングは犠牲にされる。これでも高効率動作がもたらされる。γ／ωの値を調整することにより、ＰＶパネルに示されるｄｃ抵抗を調節するためのさらなる自由度がもたらされる。図３６は、位相γの値を固定値の位相φに対して調整することにより、どのようにｄｃ抵抗が４倍に変化できるのかの具体例を示す。図３４に示す回路では、抵抗を位相γに関連づける方程式を以下で表すことができる。
Ｒ_ｄｃ＝（２π／ωＣ）（ｃｏｓγ−ｃｏｓ（γ＋φ））／（ｃｏｓγ＋ｃｏｓ（γ＋φ））（５）
位相γが調節されると、増幅器の交流出力インピーダンスも変化する。図３７Ａは、出力インピーダンスの位相φに対する依存性を示す。図３７Ｂは、いかに出力インピーダンスが位相γに対してさらに依存するかを示す。実施形態では、位相φおよびγは、ＰＶパネルに示されるＲ_ｄｃとともにインピーダンス整合回路網に示される交流インピーダンスを最適化する組み合わせで選択される。実施形態では、位相γは、インピーダンス整合回路網内のコンデンサ、インダクタ、抵抗などの回路素子と組み合わせて調整され、ＰＶパネルに示されるＲ_ｄｃとともに供給源共振器に示される交流インピーダンスを最適化する。

他の実施形態において、ＷＥＭＰＰＴ構成は、コンデンサ、インダクタ、抵抗などの回路素子を備える無線エネルギー供給源において、変化する環境条件に応じて前述の回路素子に自動調整機能を加えることにより実現され得る。かかる回路素子は、増幅器、インピーダンス整合回路網、および／または共振器のいずれかを構成してもよい。他の実施形態では、ＷＥＭＰＰＴ構成は、調節可能なトランジスタのスイッチング時間とともに調整可能な回路素子を含み得る。図３８は、マスター制御アルゴリズムを用いる一実施形態を示す。マスター制御アルゴリズムは、インピーダンス整合回路網および供給源コイルの組合せを通る電流および電圧波形などの入力を評価する。このアルゴリズムは、前述の入力の処理を用いて、例えば、ＰＶセルに示されるより最適な直流インピーダンスおよび／またはインピーダンス整合回路網に示されるより望ましい交流インピーダンスを決定する。このアルゴリズムは、ＰＷＭ波形を調節する手段および／または調整回路網を調節する手段を制御し、その結果、より最適なインピーダンスが実現され得る。

図３９は、制御アルゴリズムの例示的な実施形態を示す。時間ステップｎについて、アルゴリズムは、インピーダンス整合回路網全体の交流電圧および電流を分析する。アルゴリズムはまた、ＰＶパネル全体の直流電圧を分析する。アルゴリズムはその後、調整回路網内の調整可能容量の新しい設定値を計算し、変更を実行させる。電圧および電流は、次の時間ステップで再計測され、調整ループは、所望の容量状態が達成されるまで続く。次に、ＰＶパネルから抽出された電力を、前の時間ステップで抽出された電力と比較し、その差の符号を割り出す。差の符号はその後、アルゴリズムがいかにトランジスタスイッチのスイッチング時間のデューティサイクルを調節するかを決定づける。デューティサイクルは、上述のとおり、位相角φまたはγのいずれかを変更することにより調節し得る。

太陽ＰＶパネルに加えて、電気エネルギーを生成させる他の方法として、風力発電機、水力発電機、熱電発電機、熱光起電力発電機などが挙げられる。このような方法はまた、環境条件によって変化する電気出力をもたらし、従来のＭＰＰＴ回路を用いてエネルギー抽出を最大化することができる。当業者であれば、ＷＥＭＰＰＴ構成の要素が一般的なものであり、様々な電気エネルギー発生器に応用可能であることを理解するであろう。

実施形態では、無線送電システムは、安全保護装置およびセンサを備え得る。ＰＶパネルおよび共振器は、パネルを確実に許容範囲内で動作させるために、温度、電力、インピーダンス、および電圧センサーならびにマイクロコントローラまたはプロセッサを備え得る。無線送電システムは、蓄積電荷のための放電路を提供するよう、グランド接続を備え得る。無線送電システムは、蓄積電荷の検出を可能とする電圧センサーを備え得る。無線送電を用いるＰＶパネルにおいて、アースへの接続が不可能である場合、パネルは漏電遮断センサーを備え得、ＰＶパネルがグランドとして扱われる。

実施形態では、ＰＶパネルおよび共振器は、センサーならびに視覚、聴覚、および振動フィードバック機能を備えることにより共振器の位置調整を補助し得、これにより外部ＰＶパネルと内部捕捉共振器の間の効率的な送電を確実にする。例えば、共振器の１つを用いて、共振器間の共鳴結合の増加または減少を検出することにより、別の共振器の位置を検知してもよい。あるいは、共振器間の相互インダクタンスの増加または減少を用いて共振器の相対位置を特定してもよい。

複数のＰＶパネルまたは複数の共振器を用いる実施形態では、干渉を避けるために、システムの共振器を異なる周波数に調節してもよい。様々な共振器の調整された周波数は、時間または周波数多重であり得る。他の実施形態では、供給源および捕捉共振器は、供給源および捕捉共振器が構成情報を交換することを可能にする通信能力を備え得る。他の実施形態では、このような供給源および捕捉共振器は、初期較正するかまたは意図された共振器間で電力の交換が生じているかを検証するために必要な情報を交換し得る。通信は、上述のとおり帯域内または帯域外のものであってもよい。

図４０は、建物の屋根上に設置された太陽ＰＶパネルの例のＷＥＭＰＰＴ構成の好適な実施形態を示す。ＰＶパネルは、直列接続された複数の太陽電池として左側に示され、各セルは上述のとおり電流源およびダイオードを備える簡易等価回路により示される。コンデンサは、ＰＶパネル端子全体の容量を示す。次に、上述のとおりクラスＤＥモードで動作可能なフルブリッジスイッチング増幅器にＰＶパネル端子を接続する。Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング時間ならびにデューティサイクルおよび位相角φ・γなどの関連するパラメータを、供給源制御器によって調節することができる。次に、スイッチング増幅器の交流出力部を、コンデンサなどの調整回路素子を備えるインピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）に接続する。本明細書に記載するとおり、スイッチング時間パラメータと回路素子の組合せを、多様な環境条件および太陽光放射条件に合わせて、ＰＶパネルからの電力抽出と屋根障壁を経た無線送電の両方を最適化する方法で調節することができる。調整の実行に好適なアルゴリズムは、ＰＶパネルからの直流電流および直流電圧の少なくとも１つの測定値とともに、ＩＭＮ内または電源コイル上の交流電流および交流電圧の少なくとも１つの測定値を用いる。

図４０の右側は、ＷＥＭＰＰＴ構造内部、この例においては建物内部の電力捕捉部の構成を示す。アルゴリズムは、２つの機能を果たす捕捉制御器内で実行することができる。まず、かかる制御器は、整流器に対する捕捉コイルのインピーダンス整合を最適化する。第２に、かかる制御器は直流電流、直流電圧、および／または整流器からの出力を調節する。屋上太陽光発電例に好適なアルゴリズムは、捕捉コイルからの交流電流および交流電圧の少なくとも１つおよび整流器からの直流電圧または直流電流の少なくとも１つを分析する。Ｓ５〜Ｓ８のスイッチング時間はその後、高効率整流を維持するよう調節することができる。ＩＭＮ内の可変コンデンサなどの別の調節可能パラメータと結合される場合、スイッチング時間および可変コンデンサを調節して、インピーダンス整合を最適化し、高効率整流を維持し、出力直流電流もしくは電圧または整流器からの電力を調節することができる。

屋根上の複数のＰＶパネルの例の好適な実施形態では、各ＰＶパネルは、対応する捕捉回路を備え得、各捕捉回路はその直流出力電流を共通の値Ｉ_ｄｃに調節する。その後、複数のＰＶパネルは、図４１に示すように電気的に直列に接続することができる。各ＰＶパネルは電圧Ｖ_ｄｃ＿ｉ（ｉはｉ番目のＰＶパネルに対応する指数）を生じ得る。異なるＰＶパネルが、異なる放射照度を受ける場合、それらの電力捕捉回路は、共通電流値Ｉ_ｄｃにおいて異なる直流電圧を生じ得る_。異なる直流電圧の合計Ｖ_{ｓｔｒｉｎｇ}は、インバータまたは充電装置で利用可能である。インバータまたは充電装置に供給される電力の量は、Ｐ＝Ｖ_{ｓｔｒｉｎｇ}×Ｉ_ｄｃである。パネルからの所与の電力量Ｐについて、Ｖ_{ｓｔｒｉｎｇ}の値は、直列接続された捕捉回路を通って流れるＩ_ｄｃの値によって決まる。これは、インバータまたは充電装置の入力において準定数のＶ_{ｓｔｒｉｎｇ}を維持する、すなわちインバータまたは充電装置がピーク効率に近い状態で動作可能となる条件のために有利である。準定数Ｖ_{ｓｔｒｉｎｇ}を実現するため、インバータまたは充電装置は、電力捕捉回路のそれぞれに対して共通電流値Ｉ_ｄｃを設定し得る。通信リンクは、インバータまたは充電装置と電力捕捉回路との間で確率する可能性があり、共通電流値を設定する。リンクは直流配線を用いてもよく、あるいは無線通信を用いてもよい。

通信リンクはまた、診断、性能の情報、または他の状態情報を、インバータまたは充電装置と電力捕捉回路との間で通信するのに用いることもできる。電力捕捉回路のそれぞれが、上述したとおり帯域内または帯域外通信のいずれかを用いて、対応するＰＶパネルについての情報を得ることも可能である。ＰＶパネルについての情報は、その後、内部通信リンク全体で共有することができる。これの情報は、電力捕捉回路とそれに対応するＰＶパネルとの相対的な位置関係の情報を含む可能性がある。相対的な位置関係は、電力捕捉回路から、誘導性検知、磁界検知、容量検知、熱検知、または屋根の貫通を必要としない他の様式を含む多様な技術により、監視される可能性がある。好適な実施形態では、供給源と捕捉コイルの間の相互誘導結合に対し感度の高い方法で、相対的な位置関係を監視する。

太陽ＰＶパネルの文脈で説明するが、当業者であれば、記載された技術および方法は、風力タービン、水力タービン、熱交換器、および同類のものなどの他のエネルギー収集装置とともに用い得ることを理解するであろう。建物の屋根に載置されたエネルギー生成風力タービンは、例えば、ＰＶパネルの場合について記載したのと同様に無線送電の恩恵を受け得る。他のエネルギー収集装置は、環境条件によって異なるため、上述のＷＥＭＰＰＴ機能性を、ＰＶパネル以外の実施形態に用い得る。風力タービンからの電力は、屋根または壁内に孔または貫通部を作る必要なく建物の外部から内部へ伝達され得る。同様に、水流、波などのような水の運動を用いてエネルギーを発生させる、船または他の構造物の水力タービンは、無線送電から恩恵を受け得る。船または密封された水中構造物の外殻を貫通して配線のために穿孔することは、このような用途に望ましくない。無線電力伝送を用いて、水中タービンおよびエネルギー収集機は、完全に密封され隔離され得ることにより、接続部を再度密封する必要なく取り外して交換可能であるため、これらの装置がより信頼性が高くなり、交換または修理することも容易になる。

パッケージのための無線エネルギー伝達
無線エネルギー伝達を用いて製品パッケージ、パッケージングされた製品などにエネルギーを伝達し得る。小売り環境、保管環境、倉庫環境、冷蔵庫環境、配送環境などの棚上にパッケージがある場合、電力はパッケージまたはパッケージングされた製品に伝達され得る。パッケージにより捕捉された無線エネルギーを用いて、パッケージの部分を照らしたり、電子装置もしくはセンサーまたはパッケージに電力を供給したり、パッケージの温度を制御したり、パッケージ内の装置またはバッテリーに電力を供給したり、パッケージ上のディスプレイに電力を供給したりし得る。

製品パッケージは、箱、袋、ボトル、シール、カートン、ディスプレイ、包装材料、ボトルの蓋、標示、ちらし、付属品などを含み得る。製品パッケージは、使用前に取り除かれる、製品の使い捨ての外包装材であってもよい。製品パッケージは、取り除かれることなく、恒久的に製品の一部である、製品の一体部分を意味し得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、装置共振器および電子装置をパッケージに一体化させてもよく、パッケージ内部に配置してもよく、またはパッケージの外部に装着してもよく、棚上、床上、天井、壁などの任意の位置に載置した供給源共振器から無線エネルギーを受信して、エネルギーを供給源共振器から装置共振器に伝達し得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、装置共振器に捕捉されたエネルギーを用いて、照明、ブザー、モーター、バイブレーター、ディスプレイ、有機材料、導電性インクもしくは塗料、または製品の外観を向上させ、情報を伝達し、または消費者の注意を引くために使用され得る、任意の他の視覚、聴覚、または触覚を刺激するものに、電気を伝え得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、パッケージングされた製品が、装置共振器により捕捉されたエネルギーを直接用いてもよい。エネルギーを用いてパッケージングされた装置のバッテリーを再充電することにより、装置が購入され解梱される際に、即時使用のために確実に装置のバッテリーが十分に充電されているようにし得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、装置共振器により捕捉されたエネルギーを用いて、パッケージ内の環境状態を維持または監視し得る。温度、光、湿度、製品の新鮮さ、製品の品質、パッケージの保全性、および同類のものなどのパラメータは、監視、記録され、使用者または消費者に報告され得る。

無線エネルギー伝達システムを備えた製品パッケージの１つの例示的な実施形態を図４２に示す。一体化された装置共振器４２０８および随意の電子機器（図示せず）を備えるパッケージ４２０２は、電源電子素子（図示せず）に結合された供給源共振器４２０４の近傍に配置してもよい。装置共振器により捕捉されたエネルギーを用いて、有線４２０６電気接続によってパッケージの発光要素４２１０を作動させてもよい。実施形態では、発光要素は、パッケージに直接装着、一体化および／または埋設し得る、ＬＥＤ、電球、蛍光灯、発光塗料、ディスプレイの一部などであり得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、供給源および装置共振器４２０４、４２０８は、異なるサイズであってもよい。例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、装置共振器４２０８よりも大きな供給源共振器４２０４を備え、供給源共振器４２０４の近傍における装置共振器４２０８の移動および配置をより自由に行えるようにすることが好適であり得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、供給源および装置共振器４２０４、４２０８は、本明細書に記載の任意の共振器タイプのものであってもよく、平面共振器、プリント基板共振器などを含んでもよい。例示的な実施形態では、共振器４２０４、４２０６のコイルは、パッケージにもしくは挿入物に、またはパッケージに貼着されたシールに、直接プリントされた導電体を含み得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、供給源および装置共振器４２０８が、パッケージの異なる辺および面に適合するようにし得る。例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、装置共振器４２０８が、図４３に示すようなパッケージの周囲に適合するようにし得、その際、共振器コイル４３１６は、円筒状パッケージ４３１４の外周部の周りに適合され、パッケージの照明付きロゴ４３１２に電力を供給する。

実施形態では、パッケージングされた製品を、いくつかのパッケージングされた製品が供給源共振器４２０４に直接隣接せず、１つまたは複数の他のパッケージまたは製品によって供給源共振器４２０４から隔てられ得るような構成で積み重ねるか、並べてもよい。エネルギーを受信するために、パッケージングされた製品は、１つまたは複数のパッケージングされた製品を介してエネルギーを受信する必要があり得る。例えば、図４４に示すように、棚上に、正方形パッケージ４４２２を三次元アレイ状に積み重ねてもよい。アレイは、全方向にパッケージ４個分以上の深さであり得る。その結果、棚４４２８の上、後方４４２４、または底４４２６に配置された供給源共振器４２０４は、アレイ内のすべてのパッケージには接触または近接することなく、パッケージ４４２２のそれぞれに対応する装置共振器４２０８にエネルギーを供給し得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、製品のスタックまたはアレイの最大寸法および距離は、共振器のサイズ、供給源共振器からの出力、および製品の所要電力に基づいて制限され得る。パッケージは供給源からの最大離隔距離、すなわち最大積み重ね高さで評価され得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、供給源および装置の積み重ね高さまたは離隔距離は、中継器共振器の使用により増大し得る。大型の中継器共振器が積み重ねられたパッケージの層の間に配置され得、これにより装置および供給源内の共振器の結合の強度が高まる。例えば、図４４に示す構成では、底部供給源共振器４４２６により通電される大型中継器共振器４４３０はパッケージの第１および第２の層の間に挿入され得、無線エネルギー伝達範囲を、例えばパッケージの第２または第３の列まで拡張し得る。中継器共振器４４３０は、第２の列と第３の列の間またはさらなる列の間に挿入してもよい。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、無線エネルギー伝達の範囲およびパッケージングされた製品の積み重ね高さは、各パッケージに一体化または装着された中継器共振器を用いることにより改善し得る。中継器共振器は、供給源共振器との結合を改善するためにパッケージに追加され得る。中継器共振器を備えるパッケージの例を図４５に示す。パッケージ４５３４は、パッケージ内の任意の電子装置または回路にエネルギーを供給する装置共振器４５３８および装置共振器よりも大きくともよく、装置共振器と同じまたは異なるパッケージの辺または面に装着または一体化され得る中継器共振器４５３６を含む。この構成では、複数のパッケージを、パッケージ後方に供給源共振器がある状態で、前から順に積み重ね得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、スタックの中間またはスタックの後方に存在し得るパッケージへの通電を停止または防止することが望ましい場合がある。例えば、消費者の注意を引くよう設計されたパッケージを光らせることは、パッケージが消費者に見える場合にのみ有用であり得る。スタック後方に存在するパッケージは、見えない場合があり、これらのパッケージにエネルギーを供給することはエネルギーの無駄となり得、回路の信頼性を下げ、装置の不良につながり得る。実施形態では、パッケージは、ディスプレイの前にあるときまたは消費者に見えるときのみ通電またはスイッチが入るよう構成し得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、パッケージは、適切なパッケージを決定し、作動させるよう使用され得る、光センサー、ＲＦＩＤセンサーおよび同類のものなどのセンサーを有し得る。

例示的かつ非制限的な実施形態にしたがって、パッケージは、ディスプレイの前にない装置共振器を選択的に離調（detune）させるように構成し得る。供給源共振器の共振周波数から離調した共振器は、供給源から効率的にエネルギーを受信しない場合があり、事実上無効とされる場合がある。共振器の選択的な離調は、パッケージを積み重ねる際に、パッケージ同士を合わせる面に損失性材料を導入することにより達成され得る。導電体のシートなどの材料は、装置共振器に極めて接近させた場合に、装置共振器を十分に離調し得る。実施形態では、損失性材料がパッケージスタックの前にない装置共振器を離調させ得るように、小さい面積の損失性材料が配置されるようパッケージを設計し得る。

例えば、装置共振器４５３８および中継器共振器４５３６を備える、図４５に示すパッケージ４５３４についてふたたび考える。パッケージは、装置共振器と反対側に損失性材料のパッチまたはシート４５４０を有するよう設計され、これにより、２つのパッケージを積み重ねた際に、各パッケージの中継器共振器に影響を及ぼすことなく、損失性材料が後方のパッケージの装置共振器に負荷をかけ、離調し得るようにし、エネルギーが中継器共振器を通過して前方のパッケージに到達することが可能となる。

２つのパッケージを備える構成を図４６に示す。この構成は、供給源共振器４６４６および、それぞれが、それ自体の中継器共振器４６５０、４６４４および装置共振器４６５４、４６４８をそれぞれ備える２つのパッケージ４６４３および４６５２を含む。各パッケージは、損失性材料のパッチ４６５６、４６５８を有してもよい。損失性材料は、その後方の箱の装置共振器に影響をおよぼすように配置する。例えば、パッチ４６５８は、より大きな中継器共振器４６４４、４６５０または前方のパッケージの装置共振器４６５４に影響を及ぼすことなく、後方の箱の装置共振器４６４８を離調するよう配置される。そのため、無線エネルギーは、後方の箱の装置共振器４６４８に大量にエネルギーを供給することなく、後方の箱４６４４の中継器共振器を経由して供給源共振器４６４６から前方の箱４６５４の装置共振器に伝わる。

実施形態では、効率的なエネルギー伝達は、供給源および／または中継器共振器のＱが相対的に高く、パッケージに内蔵される装置共振器のＱが相対的に低い場合に実現し得る。このようなＱが低い共振器は、プリントされた導体、導電性インク、塗料などを含む誘導素子を備え得る。容易に作製され、安全に廃棄される誘導素子は、これらの素子の損失が、例えば電子機器等級の銅よりも高い場合であっても、パッケージング用途に好適であり得る。微量炭素を含む、より損失の大きい導体および／または低い導電率をもつがプリント可能な導体は、高Ｑ供給源および中継器共振器の一方または両方を用いて効率のよい送電を実現し得るため、本出願に適切であり得る。

実施形態では、この、発明の無線送電スキームを用いることにより、全く新しい標識および通信機能を実現可能となり得る。例えば、製品パッケージへの無線送電を可能にすることにより、パッケージ自体が機能性を含み得る。例えば、パッケージは、無線通信リンクを介して標示価格を更新可能にする通信機能を含み得る。小売り環境では、パッケージは通りかかる消費者の携帯電話と通信し、電話を鳴らしたり、振動させたり、あるいは可聴音を発させることにより、消費者に、製品が特価であったり、改善されたり、見直しがおこなわれたことなどを通知し得る。倉庫環境では、パッケージは、集中データベースと通信してその位置を容易に確認し得る。例えば、荷物は、倉庫、トラック内の追跡ソフトウェアと無線で通信可能になり、さらにはＧＰＳ追跡スキームと一体化され得、これにより荷物は、単に「配送中」と示されるのではなく、特定の時間におけるトラックの道路上の位置まで追跡されるようになり得るため、宅配ドライバーは荷物をスキャンする必要がなくなり得る。より正確な予想到着時間とともにトラックの経路を表示することも可能となり得る。

無線通信機能を用いることにより複数のパッケージの臨時ネットワークを形成し得、複数のパッケージに関して同期させた表示を生成することにより、無線送電により可能された表示機能または点灯機能をさらに向上させ得る。例えば、点灯機能を同期させて、点滅表示または光が「パッケージの周りを動き回る」表示を生成させうる。光に加え、無線電力を用いて可聴音に電源を供給し、あるいは無線リンクによって販促アプリを配信し得る。

無線通信は、搬器（carriage）の内容物の費用を消費者に表示する「搬器内（in-carriage）」システムと結合させてもよい。搬器は、カート内のパッケージに電力を供給する無線電源機能を有し得る。搬器は、搬器が搬器スタンドに置かれると、無線で再充電される再充電可能なバッテリーによって電源供給され得、あるいは店舗で搬器を押して回ると、床の電源コイルから電源を供給され得る。くすぐりエルモまたはｉＰｈｏｎｅのような売れ行きのよい商品については、消費者が、特定の店舗で入手可能な製品の数を瞬時に把握可能にするアプリを電話にダウンロードすることも可能であり得る。

無線電源アプリは、電源マップ、電源管理、共有、電力を誰かに使わせる場合の決済（電力を分ける前に、クレジットカードで支払い可能であるか、無料で電力をやりとりすることを選択することもできる）の機能を含み得、決済は知らぬ間に実行され得る。少なくとも５０％充電されている限り、購入顧客と常に電力を共用するように電話を設定することも可能である。充電状態が特定のレベルを下回ったらいつでも、特定の価格で利用可能な電源のためにピンを打つ（ping）よう携帯を設定することもできる。特定の限界電源レベルに達した場合、電源により多く支払うよう設定し得る。アプリは、無線電源装置に無線で伝送される特売、クーポンなどの情報に合わせて調整され得る。アプリは、特定の製品をレシピまたは消費者の評価にリンクさせ得、あるいは使用者が、コメントするかまたはアプリの他のユーザが利用可能であり得るデータを入力できるようにし得る。「ホウレンソウは現在、大腸菌感染発生の原因ではないかと疑われている」というような警告を表示することも可能である。回収する必要のある食品または製品は、棚上で識別され、店舗従業員により発見、撤去されうるよう、または消費者により回避されるようにし得る。

本発明は、特定の好適な実施形態に関連して説明してきたが、他の実施形態は、当業者に理解されるであろうとともに、法によって許容され得る最も広い意味で解釈されるべき、本開示の範囲内に収まるよう意図される。

本明細書で参照するすべての文書は、参照によりその全体が本明細書内で記載されているかのように組み込まれる。

Claims

太陽電池モジュールから無線エネルギー供給源にエネルギーを供給する方法であって、太陽電池モジュールからの電気エネルギーを用いて少なくとも１つの無線エネルギー供給源にエネルギーを供給することにより、振動磁界を発生させる工程と、太陽電池モジュールに対しインピーダンスを示すように前記供給源を構成する工程とを含み、前記インピーダンスにより、前記太陽電池モジュールからエネルギーを抽出することができる、方法。
前記無線エネルギー伝達電源から遠位に位置し、電気的に接続されていない無線エネルギー捕捉装置を用いて振動磁界を電気エネルギーに変換する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記供給源のインピーダンスを、前記太陽電池モジュールの環境条件の変化に応じて調節する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記供給源のインピーダンスを、前記太陽電池モジュールの電気パラメータの変化に応じて設定する工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
前記供給源のインピーダンスを、前記太陽電池モジュールからの電流の増加に応じて低下させる工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記供給源のインピーダンスを、前記太陽電池モジュールからの電流の低下に応じて増加させる工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記供給源のインピーダンスを、前記太陽電池パネルからの電圧の増加に応じて低下させる工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記供給源のインピーダンスを、前記太陽電池パネルからの電圧の低下に応じて増加させる工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記インピーダンスの設定が、前記無線エネルギー供給源のスイッチング時間を調節する工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記供給源の設定が、前記無線エネルギー伝達電源のインダクタンス、容量、抵抗、スイッチング時間のうち２つ以上を調節する工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記供給源の設定が、前記無線エネルギー捕捉装置のインダクタンス、容量、抵抗、スイッチング時間のうち１つ以上を調節する工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
無線エネルギー伝達を用いた太陽エネルギーシステムであって、電気エネルギーを生成する太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールに接続され、前記電気エネルギーにより電力の供給を受けて振動磁界を発生させる無線エネルギー供給源とを含み、前記無線エネルギー供給源のインピーダンスが前記太陽電池モジュールに対し特定のインピーダンスを示すよう設定されるシステム。
無線エネルギー装置をさらに含み、前記無線エネルギー装置が、前記振動磁界を捕捉し、前記磁界のエネルギーを任意の電圧で電流に変換するように構成された、請求項１２に記載のシステム。
前記無線エネルギー装置が、前記装置の出力で特定の電流を達成するよう調節可能である、請求項１３に記載のシステム。
前記無線エネルギー装置が、前記装置の出力で特定の電圧を達成するよう調節可能である、請求項１３に記載のシステム。
前記供給源のインピーダンスが、前記太陽電池モジュールの電気パラメータの変化に応じて設定可能である、請求項１３に記載のシステム。
同様の出力電流をもつ複数の無線エネルギー捕捉装置が直列接続で構成される、請求項１４に記載のシステム。
前記出力電流が、前記直列接続全体で、所期の電圧を維持するよう調節可能である、請求項１７に記載のシステム。
同様の出力電流をもつ複数の無線エネルギー捕捉装置が並列接続で構成される、請求項１５に記載のシステム。
前記出力電圧が、前記並列接続からの所期の電流を維持するよう調節可能である、請求項１９に記載のシステム。
無線エネルギー供給源に接続された再生可能エネルギーシステムからエネルギーを伝達する方法であって、共振器間のエネルギー伝達のために前記供給源を構成する工程を含み、少なくとも１つの共振器が無線エネルギー捕捉装置に接続され、さらに、再生可能エネルギーシステムに対しインピーダンスを示すように前記供給源を構成する工程を含み、前記インピーダンスにより前記再生可能エネルギーシステムからエネルギーを抽出することができる、方法。
インピーダンスを、前記再生可能エネルギーシステムの環境条件の変化に応じて調節する工程をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
前記再生可能エネルギーシステムが風力タービンを備える、請求項２２に記載の方法。
前記再生可能エネルギーシステムが水力タービンを備える、請求項２２に記載の方法。
前記再生可能エネルギーシステムが熱交換器を備える、請求項２２に記載の方法。