JP5685766B2 - 無線電力トランシーバー及び無線電力システム - Google Patents

無線電力トランシーバー及び無線電力システム Download PDF

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Description

本発明は、無線電力トランシーバー及び無線電力システムに関し、より詳細には、ソース共振器とターゲット共振器との間に位置して無線電力の伝送効率を向上させる無線電力トランシーバー及び無線電力システムに関する。
ＩＴ技術の発展と共に様々な携帯用の電子製品が発売され、その数も増加している。携帯用の電子製品の特性上、携帯用の電子製品のバッテリ性能が主な問題として浮び上がっている。
携帯用の電子製品だけではなく、生活家電製品においても無線でデータを送信する機能が提供されるが、このとき電力は電力線を介して提供される。
最近、無線で電力を供給することのできる無線電力伝送（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）技術が研究されている。無線環境の特性上、ソース共振器（ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）とターゲット共振器（ｔａｒｇｅｔ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）との間の距離が大きくなるほど電力伝送の効率は低下するという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ソース共振器とターゲット共振器との間に位置して無線電力の伝送効率を向上させ、ソース共振器とターゲット共振器との間で無線伝送される電力を分配し、ソース共振器の無線電力送信カバレッジを増大させる無線電力トランシーバー及び無線電力システム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無線電力トランシーバーは、ソース共振器からインバウンド電力を受信する受信共振器を含む電力受信部と、ターゲット共振器にアウトバウンド電力を送信する送信共振器を含む電力送信部と、前記ターゲット共振器と前記送信共振器との間の結合周波数を制御するカップリング制御部と、を備える。
前記無線電力トランシーバーは、前記電力受信部と前記電力送信部とを電気的に離隔するアイソレーターを更に備えてもよい。
前記カップリング制御部は、前記送信共振器から前記ターゲット共振器に送信される送信信号の反射波が最小の振幅を有するように周波数を制御し、該制御した周波数を前記結合周波数として設定してもよい。
前記カップリング制御部は、前記送信共振器から前記ターゲット共振器に送信される送信信号の反射波が前記送信信号の位相と同じになるように周波数を制御し、該制御した周波数を前記結合周波数として設定してもよい。
前記カップリング制御部は、前記送信共振器から前記ターゲット共振器に送信される送信信号の反射波が最小の電力を有するように周波数を制御し、該制御した周波数を前記結合周波数として設定してもよい。
前記カップリング制御部は、反射波の電力を測定するパワー検出器を含んでもよい。
前記電力送信部は、前記アウトバウンド電力の大きさを制御する電力分配回路を更に含んでもよい。
前記電力送信部は、前記アウトバウンド電力の方向を制御する指向性制御部を更に含んでもよい。
前記カップリング制御部は、前記結合周波数を制御する位相ロックループ（ＰＬＬ）回路を含んでもよい。
前記無線電力トランシーバーは、前記インバウンド電力の伝送距離及び前記アウトバウンド電力の伝送距離を調整する負荷を更に備えてもよい。
前記ソース共振器、前記ターゲット共振器、前記受信共振器、及び前記送信共振器のうちの少なくとも１つは、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信号導体部分と前記グラウンド導体部分とを電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分とを電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間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た少なくとも１つのキャパシタと、を備えてもよい。
前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体は、ループ構造を形成してもよい。
前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体は、方形のループ構造を形成してもよい。
前記無線電力トランシーバーは、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たループの内部に一体化されて位置し、無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器を更に備えてもよい。
前記整合器は、方形の形状であってもよい。
前記整合器は、コントローラによって生成された制御信号に基づいて、前記無線電力共振器のインピーダンスを調整するために該整合器の物理的な形状を変更してもよい。
前記コントローラは、前記無線電力共振器から電力を受信し、また前記無線電力共振器に電力を送信する、相対する共振器の状態に基づいて前記制御信号を生成してもよい。
前記コントローラは、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から前記無線電力受信装置の無線電力共振器に送信された電波の反射係数、前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力伝送利得、及び前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力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つに基づいて前記制御信号を生成してもよい。
前記整合器は、前記グラウンド導体部分と一体化された形状で、前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離隔されたインピーダンスマッチングのための導体を含み、前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に基づいて調整されてもよい。
前記整合器は、コントローラによって生成された制御信号に基づいて前記無線電力共振器のインピーダンスを調整する少なくとも１つの能動素子を含んでもよい。
前記少なくとも１つのキャパシタは、集中素子として前記第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てもよい。
前記少なくとも１つのキャパシタは、分布素子として形成されてジグザグ構造を有してもよい。
前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスは、前記無線電力共振器がメタ物質の特性を有する前提、前記無線電力共振器がターゲット周波数で負の透磁率を有する前提、及び前記無線電力共振器がターゲット周波数でゼロ次共振特性を有する前提のうちの少なくとも１つに基づいて設定されてもよい。
前記第１信号導体部分の表面及び前記第２信号導体部分の表面には複数の導体ラインが並列的に配置され、該複数の導体ラインは、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分のそれぞれの終端で互いに接続されてもよい。
前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分とは継ぎ目なく互いに接続され、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分とは継ぎ目なく互いに接続されてもよい。
前記第１信号導体部分、前記第２信号導体部分、及び前記グラウンド導体部分のうちの少なくとも１つは内部に中空の空間を含んでもよい。
前記無線電力トランシーバーは、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分との間の空間を貫通するマグネチックコアを更に備えてもよい。
前記無線電力共振器が少なくとも２つの伝送線路を含む場合、該少なくとも２つの伝送線路は、直列、並列、又は螺旋状に接続され、該少なくとも２つの伝送線路のそれぞれに含まれる第１信号導体部分と第２信号導体部分との間に少なくとも１つのキャパシタが挿入されてもよい。
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無線電力システムは、少なくとも１つのソース共振器と、少なくとも１つのターゲット共振器と、前記少なくとも１つのソース共振器からインバウンド電力を受信し、前記少なくとも１つのターゲット共振器にアウトバウンド電力を送信し、前記少なくとも１つのソース共振器と前記少なくとも１つのターゲット共振器との間の結合周波数を制御する無線電力トランシーバーと、を備える。
本発明による無線電力トランシーバーによれば、ソース共振器とターゲット共振器との間に位置して無線電力の伝送効率を高めることができ、ソース共振器とターゲット共振器との間で無線伝送される電力を分配することができ、ソース共振器の無線電力送信カバレッジを増大させることができる。
無線電力システムの一例を示す図である。 無線電力システムの一例を示す図である。 無線電力トランシーバーの位置に基づく無線電力の伝送効率の一例を示す図である。 無線電力トランシーバーの位置に基づく無線電力の伝送効率の一例を示す図である。 無線電力トランシーバーの個数に基づく無線電力の伝送効率及び伝送距離の一例を示す図である。 無線電力トランシーバーの個数に基づく無線電力の伝送効率及び伝送距離の一例を示す図である。 無線電力トランシーバーの大きさに基づく無線電力の伝送距離の一例を示す図である 無線電力トランシーバーの大きさに基づく無線電力の伝送距離の一例を示す図である。 ２個の共振器が挿入された場合の共振器カップリングの等価回路の一例を示す図である。 ターゲット共振器が２個であり３個の共振器が挿入された場合の共振器カップリングの等価回路の一例を示す図である。 無線電力トランシーバーの一例を示す図である。 無線電力トランシーバーで送信される電力の方向を制御する一例を示す図である。 無線電力トランシーバーで送信される電力の方向を制御する他の例を示す図である。 ２次元（２Ｄ）構造の共振器の一例を示す図である。 ３次元（３Ｄ）構造の共振器の一例を示す図である。 無線電力伝送のためのバルキータイプ（ｂｕｌｋｙ−ｔｙｐｅ）共振器の一例を示す図である。 無線電力伝送のためのホロータイプ（ｈｏｌｌｏｗ−ｔｙｐｅ）共振器の一例を示す図である。 パラレルシートを用いた無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。 分布キャパシタを含む無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。 図１４に示す２次元構造の共振器で提供される整合器の一例を示す図である。 図１５に示す３次元構造の共振器で提供される整合器の一例を示す図である。 図１４に示すキャパシタが挿入された伝送線路の等価回路の一例を示す図である。
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。しかし、本発明が実施形態によって制限されたり限定されたりすることはない。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を示す。
図１及び図２は、無線電力システムの一例を示す図である。図１は、第１無線電力トランシーバー１００を備える無線電力システムを含む。図２は、第２無線電力トランシーバー２００を備える無線電力システムを含む。図１及び／又は図２を参照して説明する無線電力トランシーバーは、モバイル端末、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤーなどのような端末であってもよく、端末に含まれてもよい。
図１を参照すると、第１無線電力トランシーバー１００は、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に位置する。図２を参照すると、第２無線電力トランシーバー２００は、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に位置する。第１無線電力トランシーバー１００及び第２無線電力トランシーバー２００のそれぞれはソース共振器１１０から無線送信された電力を受信し、受信した電力をターゲット共振器１２０に送信する。
一例として、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００は、例えばソース共振器１１０からターゲット共振器１２０に送信される電力の伝送効率を向上させるためにソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間で最適化された位置に配置される。
図１に示す第１無線電力トランシーバー１００は、第１無線電力トランシーバー１００に接続された負荷１３０を調整してソース共振器１１０から送信された無線電力の伝送効率又は伝送距離を制御する。例えば、負荷１３０は、有線又は無線コネクタ（図示せず）を介して第１無線電力トランシーバー１００に接続される。
図２に示す第２無線電力トランシーバー２００は、負荷１３０を用いることなく、ソース共振器１１０から送信された無線電力の伝送効率又は伝送距離を制御する。
図１及び図２に示す第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００は、様々な方式で応用され得る。
図１及び図２に示すように、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００のそれぞれは、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置され、これらの例で、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間の無線電力の伝送効率は向上し、ソース共振器１１０から送信される無線電力の伝送距離も増加する。無線電力は、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の位置及び大きさに基づいて、少なくとも１個のデバイス、例えばターゲット共振器１２０にそれぞれ送信される。また、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の位置、大きさ、個数等は無線電力の伝送量に影響を及ぼす。
共振器間の結合係数は共振器間の距離の３乗に反比例し、同時に無線電力の伝送効率は結合係数に比例する。即ち、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００のそれぞれがソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置されることによって、ソース共振器１１０からターゲット共振器１２０に送信される電力の伝送効率は高くなる。
例えば、第１無線電力トランシーバー１００がソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に挿入された場合、ソース共振器１１０と第１無線電力トランシーバー１００との間の結合係数と、第１無線電力トランシーバー１００とターゲット共振器１２０との間の結合係数は増加する。従って、第１無線電力トランシーバー１００が挿入されない場合よりも高い伝送効率を得ることができる。例えば、第１無線電力トランシーバー１００の共振器（図示せず）の共振周波数は、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０の共振周波数と同一であってもよい。
図３及び図４は、無線電力トランシーバーの位置に基づく無線電力の伝送効率の一例を示す図である。
図３を参照すると、第１無線電力トランシーバー１００の位置に応じて第１無線電力トランシーバー１００とソース共振器１１０との間の距離ｄ１と、第１無線電力トランシーバー１００とターゲット共振器１２０との間の距離ｄ２は変更される。図４を参照すると、第２無線電力トランシーバー２００の位置に応じて第２無線電力トランシーバー２００とソース共振器１１０との間の距離ｄ１と、第２無線電力トランシーバー２００とターゲット共振器１２０との間の距離ｄ２は変更される。
図３に示すように、例えば第１無線電力トランシーバー１００の位置は、ターゲット共振器１２０又はターゲット共振器１２０の負荷１２０ａ、及び負荷１３０に送信される無線電力の量に影響を及ぼす。図４に示すように、例えば第２無線電力トランシーバー２００の位置は、ターゲット共振器１２０に送信される無線電力の量に影響を及ぼす。従って、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の位置を調整することで結合係数及び送信される無線電力の量が制御され、それぞれの例において無線電力は分配されて送信される。例えば、図３に示すように、第１無線電力トランシーバー１００とターゲット共振器１２０との間の距離ｄ２が近接するほどターゲット共振器１２０に送信される無線電力の送信量は増大し、負荷１３０に送信される無線電力の量が減少するように第１無線電力トランシーバー１００は無線電力を分配する。
図５及び図６は、無線電力トランシーバーの個数に基づく無線電力の伝送効率及び伝送距離の一例を示す図である。
図１及び図２にはソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置された第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００が１個である場合を示しているが、２つ以上の無線電力トランシーバーがソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置されるようにしてもよい。ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置される第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の数は無線電力の伝送効率に影響を及ぼす。また、第１無線電力トランシーバー１００は、負荷１３０の値を調整して電力を効果的に分配することができる。
図５では、２つの第１無線電力トランシーバー１００、１０１がソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置される。図６では、２つの第２無線電力トランシーバー２００、２０１がソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に配置される。
図５を参照すると、２つの第１無線電力トランシーバー１００、１０１は、より効率的に電力を分配するために、それぞれの第１及び第２負荷１３０、１３１に対するマッチング条件（Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を調整する。
例えば、ソース共振器１１０から第１無線電力トランシーバー１００に送信された無線電力の伝送効率をＡ％、第１無線電力トランシーバー１００から他の第１無線電力トランシーバー１０１に送信された無線電力の伝送効率をＢ％、第１無線電力トランシーバー１０１からターゲット共振器１２０に送信された無線電力の伝送効率をＣ％とする場合、Ａ％≒Ｂ％＋Ｃ％である。全体の無線電力の伝送効率は、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００のポートインピーダンス（Ｐｏｒｔ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）が変更されても実質的に不変である。即ち、入力された無線電力と消費される無線電力の観点から、全体の無線電力の伝送効率はＡ％である。
図６を参照すると、２つの第２無線電力トランシーバー２００、２０１は無負荷状態である。この例で、第２無線電力トランシーバー２００、２０１は、より効率的に電力を分配するために、それぞれの共振器に対するマッチング条件を調整する。第２無線電力トランシーバー２００、２０１はそれぞれ少なくとも一個の共振器を備える。従って、第２無線電力トランシーバー２００、２０１が無負荷状態である場合にも、第２無線電力トランシーバーの個数（又は量）に応じて伝送効率及び電力分配が調整され得る。
図５及び図６に示す例では、ソース共振器とターゲット共振器との間に位置する無線電力トランシーバーの数は２個である。しかし、無線電力トランシーバーの数が２個にのみ限定されることはない。例えば、ソース共振器とターゲット共振器との間に位置する無線電力トランシーバーの数は１個であってもよく、２個以上であってもよい。
図７及び図８は、無線電力トランシーバーの大きさに基づく無線電力の伝送距離の一例を示す図である。
図７及び図８に示すように、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の物理的な大きさ、即ち面積を増加させた場合、伝送効率及び伝送距離が向上する。例えば、第１無線電力トランシーバー１００に備えられた共振器の大きさがソース共振器１１０よりも小さい場合、結合係数は増加するため、全体的な伝送効率も向上する。また、第１無線電力トランシーバー１００に備えられた共振器の大きさがソース共振器１１０よりも大きい場合、無線電力の伝送距離及び伝送効率は向上する。
例えば、複数のデバイスに無線電力を送信する場合に伝送効率を向上させるためには、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の個数を増加させることがより効率的である。また、無線電力の長い伝送距離を維持しながら高い効率で無線電力を送信するためには、第１及び第２無線電力トランシーバー１００、２００の大きさを増大させることがより効率的である。また、無線電力トランシーバーの個数及び大きさの両方を増やすことがより効率的である。
第１無線電力トランシーバー１００は、図１に示す負荷１３０のマッチング条件を制御することによって効率的な電力分配を行うことができる。例えば、ターゲット共振器１２０が複数存在する場合、ソース共振器１１０、第１無線電力トランシーバー１００、及びターゲット共振器１２０の間のマッチング条件を制御することによって、第１無線電力トランシーバー１００は、各ターゲット共振器１２０に接続された負荷（図示せず）で要求される消費電力を効率的に伝達することができる。例えば、マッチング条件は、ソース共振器１１０、第１無線電力トランシーバー１００、及びターゲット共振器１２０のそれぞれのポートインピーダンス値を調整することにより制御される。
例えば、インピーダンスマッチングは、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間の相互誘導係数（Ｍｕｔｕａｌ Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）によって決定され、また相互誘導係数の値は、ソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間の距離と、２つの共振器の大きさに基づいて決定される。例えば、少なくとも１つの共振器（図示せず）（例えば、第１又は第２無線電力トランシーバー１００、２００）がソース共振器１１０とターゲット共振器１２０との間に設置された場合、少なくとも１つの共振器（図示せず）の挿入によって相互誘導係数の値は変更される。
従って、インピーダンスは変化し得る。例えば、変化したインピーダンスをマッチングすることによって、伝送効率を向上させ、電力をより効率的に分配することができる。例えば、少なくとも１つの共振器（図示せず）の位置、距離、個数、方向、及び大きさ等のうちの少なくとも１つを調整して相互誘導係数及びインピーダンスを制御し、結果的に伝送効率と電力分配を決定することができる。
図９は、２個の共振器が挿入された場合の共振器カップリング（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の等価回路の一例を示し、数式１は等価回路において共振器の挿入又は除去によって変わるインピーダンスを算出するための式である。
Figure 0005685766
図９及び数式１を参照すると、Ｚｉｎはインピーダンス、Ｒ１及びＲ２は抵抗、Ｍ１及びＭ２は相互誘導係数である。例えば、相互誘導係数は、無線電力トランシーバーの共振器の個数、位置、大きさなどの影響を受ける。従って、このような因子によって変化するインピーダンスのマッチングを通して伝送効率と電力分配を決定してもよい。
図１０は、ターゲット共振器が２個であり、３個の共振器が挿入された場合の共振器カップリングの等価回路の一例を示す図であり、数式２は等価回路において共振器の挿入又は除去によって変わるインピーダンスを算出するための式である。
Figure 0005685766
図１０及び数式２を参照すると、Ｚｉｎはインピーダンス、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ１′、Ｒ２′、及びＲ３′は抵抗、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ１２、及びＭ２３は相互誘導係数、Ｚ２及びＺ３は負荷である。例えば、相互誘導係数は、無線電力トランシーバーの共振器の個数、位置、大きさなどの影響を受ける。従って、このような因子によって変化するインピーダンスのマッチングを通して伝送効率と電力分配を決定してもよい。
図１１は、無線電力トランシーバーの構成の一例を示す図である。
図１１に示す無線電力トランシーバー６００は、例えば、負荷１３０が接続された第１無線電力トランシーバー１００（図１参照）であってもよい。図１１を参照すると、無線電力トランシーバー６００は、電力受信部６１０、カップリング制御部６３０、及び電力送信部６２０を含み、負荷、例えば負荷６００ａが接続されている。負荷６００ａが接続されていない場合、無線電力トランシーバー６００は、第２無線電力トランシーバー２００（図２参照）であってもよい。
この例において、電力受信部６１０は、ソース共振器又は他の無線電力トランシーバーにマッチングされ、ソース共振器又は他の無線電力トランシーバーからインバウンド（ｉｎｂｏｕｎｄ）電力を受信する受信共振器６１１を備える。
また、電力送信部６２０は、電力受信部６１０で受信されたインバウンド電力を用いてターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーにアウトバウンド（ｏｕｔｂｏｕｎｄ）電力を送信する送信共振器６２１を備える。電力送信部６２０は、電力送信部で送信されるアウトバウンド電力の大きさを制御する電力分配回路６２２及び送信されるアウトバウンド電力の方向を制御する指向性制御部６２３を更に備えてもよい。
上述した電力受信部６１０に含まれる受信共振器６１１及び電力送信部６２０に含まれる送信共振器６２１は、機能的に区分しただけであって、物理的に１つの共振器として実現してもよい。また、図１１では受信共振器６１１及び送信共振器６２１が機能的にそれぞれ１つとして示したが、無線電力トランシーバー６００は、複数のソース共振器から電力を受信し、複数のターゲット共振器に電力を送信する少なくとも２つ以上の共振器を含んでもよい。即ち、図１１は、無線電力トランシーバー６００の一例であり、従って無線電力トランシーバー６００に応用される様々な変形が実現できることは自明であろう。
カップリング制御部６３０は、ターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーと送信共振器６２１との間の結合周波数を制御する。例えば、カップリング制御部６３０は、結合周波数を制御する位相ロックループ回路（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＬ ｃｉｒｃｕｉｔ）（図示せず）を備えてもよく、位相ロックループ回路を用いて、送信共振器６２１を介してターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーに送信される無線電力の送信周波数を制御してもよい。
例えば、カップリング制御部６３０は以下の説明のような様々な方式で結合周波数を制御することができる。
例えば、第１の方式として、ソース共振器又は他の無線電力トランシーバーから受信共振器６１１に送信信号が送信された場合、送信信号の一部が反射されてソース共振器又は他の無線電力トランシーバーに戻ることがある。反射された送信信号の一部は反射波と呼ばれる。無線電力トランシーバー６００のカップリング制御部６３０は、反射波の振幅を測定し、測定した振幅に基づいて、反射波の振幅が最小になるように送信信号の周波数を調節して制御し、調節した周波数を結合周波数として設定することができる。
カップリング制御部６３０は、電力送信が最大である場合、又は反射波の振幅が最小であり且つ電力送信が最大である場合の周波数を結合周波数として設定するように制御してもよい。ここで、電力送信が最大である場合は、測定された電流値が最大値を有する。例えば、最大電力送信は、無線電力トランシーバーから引き出される最大出力電力能力を意味しないが、代わりに反射波が最小になる周波数を維持しながら、送信される能力の最大で達成し得る電力量を意味する。
他の例として、反射波の振幅を測定する外部端末から結合周波数に関する情報を受信して、該当する結合周波数を送信周波数に設定してもよく、他の例として、カップリング制御部６３０が反射波の振幅を測定して結合周波数を決定するように実現してもよい。
例えば、第２の方式として、カップリング制御部６３０は、反射波の位相が送信信号の位相になる（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）周波数を結合周波数に設定するように制御してもよい。他の例として、反射波の位相を測定する外部端末から結合周波数に関する情報を受信して、該当する結合周波数を送信周波数に設定してもよく、他の例として、カップリング制御部６３０が反射波の位相を測定して結合周波数を決定するように実現してもよい。
例えば、第３の方式として、カップリング制御部６３０は、反射波の電力の測定結果に基づいて、反射波の電力が最小になる周波数を結合周波数に設定するように制御してもよい。他の例として、反射波の電力を測定する外部端末から結合周波数に関する情報を受信して、該当する結合周波数を送信周波数に設定してもよい。他の例として、カップリング制御部６３０が反射波の電力を測定して結合周波数を決定するように実現してもよい。この場合、カップリング制御部６３０は、反射波の電力を測定するパワー検出器（図示せず）を更に備えてもよい。
従って、上述した方式を用い、カップリング制御部６３０は、ターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーと送信共振器６２１との間の結合周波数を決定し、決定した結合周波数を送信信号の送信周波数として設定してターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーに電力を無線送信するように制御する。
電力送信部６２０は、上述したように、電力分配回路６２２及び指向性制御部６２３を更に備えてもよい。電力分配回路６２２は、送信共振器６２１を介して無線送信される電力を分配するよう設計される。例えば、指向性制御部６２３は、ソース共振器とターゲット共振器をカップリングし、ターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーが位置する方向に無線電力をビームフォーミングすることによって電力伝送の効率を高めることができる。例えば、指向性制御部６２３は、送信共振器６２１の方向をメカニカル的に制御して電力の送信方向を制御してもよい。
図１２は、無線電力トランシーバーで送信される電力の方向を制御する一例を示す図である。
図１２を参照すると、例えばターゲット共振器６７０の用途、位置、方向、必要電力、及び形態等に基づいて、無線電力トランシーバー６００の指向性制御部６２３は、送信共振器６２１の送信方向を制御する。図１２で、ソース共振器６５０とターゲット共振器６７０の方向は互いに垂直をなす。例えば、指向性制御部６２３は、送信共振器６２１の方向をθだけ傾けるように制御することによって、ターゲット共振器６７０に送信される電力の伝送効率を向上させることができる。ここで、ソース共振器６５０と無線電力トランシーバー６００との間の距離はＤ１であり、ソース共振器６５０とターゲット共振器６７０との間の距離はＤである。
図１３は、無線電力トランシーバーで送信される電力の方向を制御する他の例を示す図である。
図１３を参照すると、ターゲット共振器６８０は、ソース共振器６５０に対してθだけ傾いている。例えば、指向性制御部６２３は、送信共振器６２１の方向をθだけ傾けるように制御することによって、送信共振器６２１とターゲット共振器６８０の方向が略平行になるようにしてもよい。従って、ソース共振器６５０は、無線電力トランシーバー６００を介してターゲット共振器６８０に送信される電力の伝送効率を向上させることができる。
他の例として、電力の送信方向は、ユーザによって手動で制御されてもよい。例えば、ユーザは、無線電力トランシーバー６００の位置、傾きなどを調整して、電力の方向を制御することができる。
また、無線電力トランシーバー６００は、接続された負荷６００ａを用いて、インバウンド電力及びアウトバウンド電力のうちの少なくとも１つの伝送距離、伝送効率を調整する。
一実施形態において、図１１に示すように、無線電力トランシーバー６００は、電力受信部６１０と電力送信部６３０を電気的に離隔させるアイソレーター６４０を更に備えてもよい。例えば、アイソレーター６４０は、インバウンド電力を受信する受信共振器６１１とアウトバウンド電力を送信する送信共振器６２１を電気的に離隔させることによって、受信共振器６１１と送信共振器６２１との間の干渉を減らし得る。
上述したように、無線電力トランシーバーは様々な方式で応用され得る。無線電力トランシーバーは、ソース共振器又は他の無線電力トランシーバーから送信される電力を受信し、ターゲット共振器又は他の無線電力トランシーバーに電力を送信するため、ソース共振器の電力送信カバレッジを増やすことは勿論、ソース共振器とターゲット共振器との間の無線電力の伝送効率も向上させることができる。
一例として、無線電力トランシーバーは、壁（ｗａｌｌ）との間に設置され、インビルディング環境で様々な障害物に起因する無線電力伝送が困難であるという問題を解決することができる。例えば、壁の中間に無線電力トランシーバーが設置された場合、ソース共振器から無線送信された電力を壁の向かい側に位置するターゲット共振器１２０に送信することができる。
他の例として、無線電力トランシーバーは、様々な家電製品の一側に設けられ、複数のターゲット共振器に電力を無線送信することができ、各ターゲット共振器の所要電力に応じて電力を効率的に分配して送信することができる。
以下、図１４〜図２１を参照して共振器の様々な構造を説明する。上述したソース共振器、ターゲット共振器、受信共振器、及び送信共振器は、図１４〜図２１に示す共振器のうちの１つで構成され得る。
図１４は、２次元（２Ｄ）構造の共振器７００の一例を示す図である。
図１４を参照すると、２次元構造の共振器７００は、第１信号導体部分７１１、第２信号導体部分７１２、及びグラウンド導体部分７１３を含む伝送線路、キャパシタ７２０、整合器７３０、及び導体７４１、７４２を備える。
例えば、キャパシタ７２０は、第１信号導体部分７１１と第２信号導体部分７１２との間に直列に挿入され、それによって電界はキャパシタ７２０に閉じ込められるようになる。一般的に、伝送線路は、上部に少なくとも１つの導体を含み、下部に少なくとも１つの導体を含む、一例として、伝送線路の上部に設けられた導体を通して電流が流れ、下部に設けられた導体が電気的に接地（グラウンド）される。本明細書では、伝送線路の上部に設けられた導体を第１信号導体部分７１１と第２信号導体部分７１２に分離して呼び、伝送線路の下部に設けられた導体をグラウンド導体部分７１３と呼ぶことにする。
図１４に示すように、共振器７００は２次元構造を有する。伝送線路は、その上部に第１信号導体部分７１１及び第２信号導体部分７１２を含み、その下部にグラウンド導体部分７１３を含む。例えば、第１信号導体部分７１１及び第２信号導体部分７１２とグラウンド導体部分７１３とは互いに向かい合うように配置される。電流は第１信号導体部分７１１及び第２信号導体部分７１２を通じて流れる。
第１信号導体部分７１１の一端は導体７４２に短絡され、他端はキャパシタ７２０に接続される。そして、第２信号導体部分７１２の一端は導体７４１に接地され、他端はキャパシタ７２０に接続される。従って、第１信号導体部分７１１、第２信号導体部分７１２、グラウンド導体部分７１３、及び導体７４１、７４２が互いに接続されることによって、共振器７００は電気的に閉じたループ構造を有する。ここで、「ループ構造」は、例えば円形構造、方形構造のような多角形の構造などを含み、「ループ構造」を有することは電気的に閉じていることを意味する。
キャパシタ７２０は伝送線路の中間部に挿入される。例えば、キャパシタ７２０は、第１信号導体部分７１１と第２信号導体部分７１２との間の空間に挿入される。例えば、キャパシタ７２０は、集中素子（ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）、分布素子（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）などの形態を有してもよい。一例として、分布素子の形態を有する分布キャパシタは、ジグザグ形態の導体ライン及びその導体ラインとの間に相対的に高い誘電率を有する誘電体を含む。
例えば、キャパシタ７２０が伝送線路に挿入された場合、共振器７００はメタ物質の特性を有し得る。メタ物質とは、自然に発見されることのできない特別な電気的な性質を有する物質であり、人工的に設計された構造を有する。自然界に存在する全ての物質の電磁気特性は固有の誘電率又は透磁率を有し、大部分の物質は正の誘電率及び正の透磁率を有する。大部分の物質において、電界、磁界、及びポインティング・ベクトル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。しかし、メタ物質は、自然界で存在しない誘電率又は透磁率を有する物質であり、誘電率又は透磁率の符号により、例えば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。
集中素子として挿入されたキャパシタ７２０のキャパシタンスが適切に決定された場合、共振器７００はメタ物質の特性を有する。キャパシタ７２０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７００が負の透磁率を有することができるため、共振器７００はＭＮＧ共振器とも呼ばれる。
キャパシタ７２０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７００がメタ物質の特性を有する前提、共振器７００がターゲット周波数で負の透磁率を有する前提、共振器７００がターゲット周波数でゼロ次共振（Ｚｅｒｏｔｈ−Ｏｒｄｅｒ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の特性を有する前提などの様々な前提があり、例えば上述した前提のうちの少なくとも１つの前提でキャパシタ７２０のキャパシタンスを決定してもよい。
共振器７００、即ちＭＮＧ共振器７００は、例えば伝搬定数が「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の特性を有する。ＭＮＧ共振器７００はゼロ次共振特性を有するため、共振周波数は、ＭＮＧ共振器７００の物理的なサイズに対して独立的であり得る。キャパシタ７２０を適切に設計することで、ＭＮＧ共振器７００を共振周波数に変更することができるため、ＭＮＧ共振器７００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
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７２０に集中するため、キャパシタ７２０によって、近接フィールドでは磁界がドミナント（ｄｏｍｉｎａｎｔ）になる。例えば、ＭＮＧ共振器７００は、集中素子のキャパシタ７２０を用いて高いＱ−ファクター（Ｑ−Ｆａｃｔｏｒ）を有するため、電力伝送の効率を向上させることができる。この例で、Ｑ−ファクターは、無線電力伝送における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伝送の効率は高いものと理解される。
ＭＮＧ共振器７００はインピーダンスマッチングのための整合器７３０を備えてもよい。整合器７３０は、ＭＮＧ共振器７００の磁界の強度を適切に調整することができ、整合器７３０によってＭＮＧ共振器７００のインピーダンスが決定される。電流はコネクタを介してＭＮＧ共振器７００に流入し、ＭＮＧ共振器７００から流出される。コネクタはグラウンド導体部分７１３又は整合器７３０と物理的に接続される。
例えば、図１４に示すように、整合器７３０は、共振器７００のループ構造によって形成されるループ内に一体化されて位置してもよい。例えば、整合器７３０は、その物理的な形状を変更することによって共振器７００のインピーダンスを調整する。即ち、整合器７３０は、ループの寸法を変化させることができる様々な形態に形成され得る。例えば、整合器７３０は、グラウンド導体部分７１３と一体化された形状で、距離ｈだけ離れた位置にインピーダンスマッチングのための導体７３１を含んでもよく、共振器７００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得る。
図１４には示していないが、整合器７３０を制御するコントローラが存在する。例えば、整合器７３０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７３０の物理的な形状を変更してもよい。例えば、制御信号によって、整合器７３０の導体７３１とグラウンド導体部分７１３との間の距離ｈを増加させるか又は減少させる。従って、整合器７３０の物理的な形状が変更されることで、共振器７００のインピーダンスが調整される。コントローラは、様々なファクターに基づいて制御信号を生成し、これについては下記で説明する。
図１４に示すように、整合器７３０は、導体７３１のような受動素子で実現してもよく、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実現してもよい。能動素子が整合器７３０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よって駆動され、その制御信号によって共振器７００のインピーダンスが調整される。例えば、整合器７３０にはダイオードのような能動素子が含まれてもよく、ダイオードが「ｏｎ」の状態であるか又は「ｏｆｆ」の状態であるかに応じて、共振器７００のインピーダンスが調整される。
図１４に示していないが、ＭＮＧ共振器７００を貫通するマグネチックコアを更に含んでもよい。マグネチックコアは電力伝送距離を増加させる機能を行う。
図１５は、３次元（３Ｄ）構造の共振器８００の一例を示す図である。
図１５を参照すると、３次元構造の共振器８００は、第１信号導体部分８１１、第２信号導体部分８１２、及びグラウンド導体部分８１３を含む伝送線路、及びキャパシタ８２０を備える。キャパシタ８２０は、伝送線路の第１信号導体部分８１１と第２信号導体部分８１２との間に直列に挿入され、電界はキャパシタ８２０に閉じ込められる。
図１５に示すように、共振器８００は３次元構造を有する。伝送線路は、共振器８００の上部に第１信号導体部分８１１及び第２信号導体部分８１２を含み、共振器８００の下部にグラウンド導体部分８１３を含む。第１信号導体部分８１１及び第２信号導体部分８１２とグラウンド導体部分８１３とは互いに向かい合うように配置される。例えば、電流は第１信号導体部分８１１及び第２信号導体部分８１２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）が形成される。代わりに、図１５に示すものとは異なり、＋ｙ方向に磁界Ｈ（ｗ）が形成され得る。
第１信号導体部分８１１の一端は導体８４２に短絡され、他端はキャパシタ８２０に接続される。そして、第２信号導体部分８１２の一端は導体８４１に接地され、他端はキャパシタ８２０に接続される。従って、第１信号導体部分８１１、第２信号導体部分８１２、グラウンド導体部分８１３、及び導体８４１、８４２が互いに接続されることによって、共振器８００は電気的に閉じたループ構造を有する。ここで、「ループ構造」は、例えば円形構造、方形構造のような多角形の構造などを含み、「ループ構造」を有することは電気的に閉じていることを意味する。
図１５に示すように、キャパシタ８２０は、第１信号導体部分８１１と第２信号導体部分８１２との間の空間に挿入される。例えば、キャパシタ８２０は、集中素子、分布素子などの形態を有してもよい。例えば、分布素子の形態を有する分布キャパシタは、ジグザグ形態の導体ライン及びその導体ラインとの間に相対的に高い誘電率を有する誘電体を含む。
キャパシタ８２０が伝送線路に挿入されることによって、共振器８００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８２０のキャパシタンスが適切に決定された場合、共振器８００はメタ物質の特性を有する。キャパシタ８２０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８００が特定の周波数帯域において負の透磁率を有することができるため、共振器８００はＭＮＧ共振器とも呼ばれる。キャパシタ８２０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８００がメタ物質の特性を有する前提、共振器８００がターゲット周波数で負の透磁率を有する前提、共振器８００がターゲット周波数でゼロ次共振の特性を有する前提などの様々な前提があり、例えば上述した前提のうちの少なくとも１つの前提でキャパシタ８２０のキャパシタンスを決定してもよい。
共振器８００、即ちＭＮＧ共振器８００は、例えば伝搬定数（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）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の特性を有する。ＭＮＧ共振器８００はゼロ次共振の特性を有するため、共振周波数は、ＭＮＧ共振器８００の物理的なサイズに対して独立的であり得る。キャパシタ８２０を適切に設計することで、ＭＮＧ共振器８００を共振周波数に変更することができるため、ＭＮＧ共振器８００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
図１５に示すＭＮＧ共振器８００を参照すると、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８２０に集中するため、キャパシタ８２０によって、近接フィールドでは磁界がドミナントになる。例えば、ゼロ次共振の特性を有するＭＮＧ共振器８００は、磁気双極子（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅ）に類似の特性を有するため、近接フィールドでは磁界がドミナントになる。キャパシタ８２０の挿入により形成された相対的に少ない量の電界はそのキャパシタ８２０に集中するため、近接フィールドでは磁界がよりドミナントになる。ＭＮＧ共振器８００は、集中素子のキャパシタ８２０を用いて高いＱ−ファクターを有するため、電力伝送の効率を向上させることができる。
ＭＮＧ共振器８００はインピーダンスマッチングのための整合器８３０を備えてもよい。整合器８３０は、ＭＮＧ共振器８００の磁界の強度を適切に調整することができ、整合器８３０によってＭＮＧ共振器８００のインピーダンスが決定される。電流はコネクタ８４０を介してＭＮＧ共振器８００に流入し、ＭＮＧ共振器８００から流出される。コネクタ８４０はグラウンド導体部分８１３又は整合器８３０に接続される。
例えば、図１５に示すように、整合器８３０は、共振器８００のループ構造によって形成されるループの内部に一体化されて位置する。例えば、整合器８３０は、その物理的な形状を変更することによって共振器８００のインピーダンスを調整する。即ち、整合器８３０は、ループの寸法を変化させることのできる様々な形態に形成され得る。例えば、整合器８３０は、グラウンド導体部分８１３と一体化された形状で、距離ｈだけ離隔された位置にインピーダンスマッチングのための導体８３１を含んでもよく、共振器８００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得る。
図１５には示していないが、整合器８３０を制御するコントローラが存在する。例えば、整合器８３０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８３０の物理的な形状を変更してもよい。例えば、制御信号によって、整合器８３０の導体８３１とグラウンド導体部分８３１との間の距離ｈを増加させるか又は減少させる。従って、整合器８３０の物理的な形状が変更されることで、共振器８００のインピーダンスが調整される。整合器８３０の導体８３１とグラウンド導体部分８１３との間の距離ｈは様々な方式で調整されてもよい。一例として、整合器８３０には複数の導体が含まれてもよく、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が調整され得る。他の例として、導体８３１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。距離ｈはコントローラの制御信号によって制御されてもよく、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してもよい。コントローラが制御信号を生成する一例については下記で説明する。
図１５に示すように、整合器８３０は、導体８３１のような受動素子で実現してもよく、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実現してもよい。能動素子が整合器８３０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よって駆動され、その制御信号によって共振器８００のインピーダンスが調整される。例えば、整合器８３０にダイオードのような能動素子が含まれてもよく、ダイオードが「ｏｎ」の状態であるか又は「ｏｆｆ」の状態であるかに応じて、共振器８００のインピーダンスが調整される。
図１５に示していないが、ＭＮＧ共振器８００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伝送距離を増加させる機能を行う。
図１６は、無線電力伝送のためのバルキータイプ（ｂｕｌｋｙ−ｔｙｐｅ）共振器の一例を示す図である。
図１６を参照すると、第１信号導体部分９１１と導体９４２は個別に製造された後、互いに接続されて一体化されて形成される。同様に、第２信号導体部分９１２と導体９４１も一体化されて製造される。
第２信号導体部分９１２と導体９４１が個別に製造された後で互いに接続された場合、例えば継ぎ目９５０による導体損失が発生し得る。第２信号導体部分９１２と導体９４１が分離した継ぎ目を用いることなく、即ち継ぎ目なしに（ｓｅａｍｌｅｓｓ）互いに接続されることで、継ぎ目９５０に起因する導体損失を減らすことができる。例えば、第２信号導体部分９１２とグラウンド導体部分９１３は継ぎ目なしに一体化されて製造される。同様に、第１信号導体部分９１１とグラウンド導体部分９１３が継ぎ目なしに一体化されて製造される。
図１６を参照すると、少なくとも２つの部分（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）を一体化して接続する継ぎ目なしの接続を「ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅ」と呼ぶ。
図１７は、無線電力伝送のためのホロータイプ（ｈｏｌｌｏｗ−ｔｙｐｅ）共振器１０００の一例を示す図である。
図１７を参照すると、共振器１０００の第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のそれぞれは、内部に空いている空間又は中空の空間（ｈｏｌｌｏｗ ｓｐａｃｅ）を有する。
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のそれぞれの全ての部分を介して流れるのではなく、一部の部分のみを介して流れるものとしてモデリングしてもよい。例えば、所定の共振周波において、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のそれぞれの厚さが表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）よりも過度に厚いことは効率的ではない。過度に厚い厚さは、共振器１０００の重さ又は製造費用を増加させ得る。
従って、所定の共振周波数において、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のそれぞれの表皮深さに基づいて、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のそれぞれの厚さを適切に決定する。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のそれぞれが該当する表皮深さよりも厚いながらも適切な厚さを有する場合、共振器１０００は軽くなり、共振器１０００の製造費用も減少され得る。
例えば、図１７に示すように、第２信号導体部分１０１２の厚さは「ｄ」ｍｍに決定してもよく、ｄは
Figure 0005685766
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。一例として、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が銅（ｃｏｐｐｅｒ）で作られ、５．８ｘ１０７Ｓ・ｍ−１（ｓｉｅｍｅｎｓ ｐｅｒ ｍｅｔｅｒ）の導電率を有する場合、共振周波数が１０ｋＨｚに対しては表皮深さが約０．６ｍｍであり、共振周波数が１００ＭＨｚに対しては表皮深さが約０．００６ｍｍである。
図１８は、パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）を用いた無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。
図１８を参照すると、共振器１１００に含まれる第１信号導体部分１１１１及び第２信号導体部分１１１２のそれぞれの表面にはパラレルシートが適用される。
例えば、第１信号導体部分１１１１及び第２信号導体部分１１１２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とがある。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低下させる。
第１信号導体部分１１１１及び第２信号導体部分１１１２のそれぞれにパラレルシートを適用することによって、抵抗損失を減らすことができ、Ｑファクター及びカップリングの効率を向上させることができる。円で示す部分１１７０を参照すると、パラレルシートが適用された場合、第１信号導体部分１１１１及び第２信号導体部分１１１２のそれぞれは複数の導体ラインを含む。例えば、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１１１１及び第２信号導体部分１１１２のそれぞれの先端部で互いに接続される。
上述したように、第１信号導体部分１１１１及び第２信号導体部分１１１２のそれぞれにパラレルシートを適用した場合、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合計は減少する。結果として、抵抗損失は減少し、Ｑファクター及びカップリング効率は向上する。
図１９は、分布キャパシタを含む無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。
図１９を参照すると、無線電力伝送のための共振器１２００に含まれるキャパシタ１２２０は、分布キャパシタであってもよい。集中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）を有し得る。集中素子のキャパシに含まれるＥＳＲを減らすための様々な方式が提案されている。分布素子としてのキャパシタ１２２０を用いることによってＥＳＲを減らすことができる。ＥＳＲに起因する損失はＱファクター及びカップリング効率を低下させ得る。
図１９に示すように、分布素子としてのキャパシタ１２２０は、ジグザグ構造を有してもよい。例えば、キャパシタ１２２０はジグザグ構造を有する導体ライン及び誘電体で形成される。
図１９に示すように、分布素子としてのキャパシタ１２２０を用いることによって、ＥＳＲに起因する損失を減らすことができる。また、複数の集中素子としてのキャパシタを配置することによって、ＥＳＲに起因する損失を減らすことができる。なぜなら、集中素子としてのキャパシタのそれぞれの抵抗成分が並列接続によって小さくなるため、並列的に接続された集中素子としてのキャパシタの有効抵抗も小さくなり、ＥＳＲに起因する損失を減らすことができる。例えば、１０ｐＦの１個のキャパシタを用いる代わりに１ｐＦの１０個のキャパシタを用いることによって、ＥＳＲに起因する損失を減らすことができる。
図２０は、図１４に示す２次元構造の共振器７００で提供される整合器７３０の一例を示し、図２１は、図１５に示す３次元構造の共振器８００で提供される整合器８３０の一例を示す。
例えば、図２０は、整合器７３０を含む２次元共振器の一部を示し、図２１は、整合器８３０を含む図１５の３次元共振器の一部を示す。
図２０を参照すると、整合器７３０は、導体７３１、導体７３２、及び導体７３３を含み、導体７３２及び導体７３３は、伝送線路のグラウンド導体部分７１３及び導体７３１に接続される。例えば、導体７３１とグラウンド導体部分７１３との間の距離ｈに基づいて２次元共振器のインピーダンスが決定され、導体７３１とグラウンド導体部分７１３との間の距離ｈはコントローラによって制御される。例えば、導体７３１とグラウンド導体部分７１３との間の距離ｈは様々な方式で調整されてもよく、導体７３１、７３２、７３３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を調整する様々な方式、導体７３１の物理的な位置を上下に調整することで距離ｈを調整する方式などがあり得る。
図２１を参照すると、整合器８３０は、導体８３１、導体８３２、及び導体８３３を備え、導体８３２及び導体８３３は、伝送線路のグラウンド導体部分８１３及び導体８３１に接続される。例えば、導体８３１とグラウンド導体部分８１３との間の距離ｈに基づいて３次元共振器８００のインピーダンスが決定され、導体８３１とグラウンド導体部分８１３との間の距離ｈはコントローラによって制御される。２次元構造の共振器に含まれる整合器７３０と同様に、３次元構造の共振器に含まれる整合器８３０でも、導体８３１とグラウンド導体部分８１３との間の距離ｈは様々な方式で調整されてもよい。例えば、導体８３１、８３２、８３３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を調整する様々な方式、導体８３１の物理的な位置を上下に調整することで距離ｈを調整する方式などがあり得る。
図２０及び図２１に示していないが、整合器は能動素子を含んでもよく、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通りである。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２２は、図１４に示すキャパシタが挿入された伝送線路の等価回路の一例を示す図である。
無線電力送信のための共振器７００は、図２２に示す等価回路にモデリングされ得る。図２２に示す等価回路において、ＣＬは図１４に示す伝送線路の中間部に集中素子の形態で挿入されたキャパシタを表す。
この例で、共振器７００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７００は、
Figure 0005685766
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 0005685766
は下記数式３のように表される。数式３で、ＭＺＲはＭｕ Ｚｅｒｏ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒを意味する。
Figure 0005685766
数式３を参照すると、共振器７００の共振周波数
Figure 0005685766
は
Figure 0005685766
によって決定され、共振周波数
Figure 0005685766
と共振器７００の物理的なサイズは、互いに独立的であることが分かる。共振周波数
Figure 0005685766
と共振器の物理的なサイズが互いに独立的であるため、共振器７００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によって説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、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ものである。
１００、１０１ 第１無線電力トランシーバー
１１０、６５０ ソース共振器
１２０、６７０、６８０ ターゲット共振器
１２０ａ、１３０、１３１、６００ａ 負荷
２００、２０１ 第２無線電力トランシーバー
６００ 無線電力トランシーバー
６１０ 電力受信部
６１１ 受信共振器
６２０ 電力送信部
６２１ 送信共振器
６２２ 電力分配回路
６２３ 指向性制御部
６３０ カップリング制御部
６４０ アイソレーター
７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００ 共振器
７１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１ 第１信号導体部分
７１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２ 第２信号導体部分
７１３、８１３、９１３、１０１３、１１１３ グラウンド導体部分
７２０、８２０、９２０、１０２０、１１２０、１２２０ キャパシタ
７３０、８３０、９３０、１０３０、１１４０ 整合器
７３１、７３２、７３３、７４１、７４２、８３１、８３２、８３３、８４１、８４２、９４１、９４２、１０４１、１０４２ 導体
８４０ コネクタ
９５０ 継ぎ目

Claims (28)

  1. ソース共振器からインバウンド電力を受信する受信共振器を含む電力受信部と、
    ターゲット共振器にアウトバウンド電力を送信する送信共振器を含む電力送信部と、
    前記ターゲット共振器と前記送信共振器との間の結合周波数を制御するカップリング制御部と、
    前記電力受信部と前記電力送信部とを電気的に離隔するアイソレーターと、
    を備えることを特徴とする無線電力トランシーバー。
  2. 前記カップリング制御部は、前記送信共振器から前記ターゲット共振器に送信される送信信号の反射波が最小の振幅を有するように周波数を制御し、該制御した周波数を前記結合周波数として設定することを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  3. 前記カップリング制御部は、前記送信共振器から前記ターゲット共振器に送信される送信信号の反射波が前記送信信号の位相と同じになるように周波数を制御し、該制御した周波数を前記結合周波数として設定することを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  4. 前記カップリング制御部は、前記送信共振器から前記ターゲット共振器に送信される送信信号の反射波が最小の電力を有するように周波数を制御し、該制御した周波数を前記結合周波数として設定することを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  5. 前記カップリング制御部は、反射波の電力を測定するパワー検出器を含むことを特徴とする請求項４に記載の無線電力トランシーバー。
  6. 前記電力送信部は、前記アウトバウンド電力の大きさを制御する電力分配回路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  7. 前記電力送信部は、前記アウトバウンド電力の方向を制御する指向性制御部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  8. 前記カップリング制御部は、前記結合周波数を制御する位相ロックループ（ＰＬＬ）回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  9. 前記インバウンド電力の伝送距離及び前記アウトバウンド電力の伝送距離を調整する負荷を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  10. 前記ソース共振器、前記ターゲット共振器、前記受信共振器、及び前記送信共振器のうちの少なくとも１つは、
    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信号導体部分と前記グラウンド導体部分とを電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分とを電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間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た少なくとも１つのキャパシタと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力トランシーバー。
  11. 前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体は、ループ構造を形成することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  12. 前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体は、方形のループ構造を形成することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  13. 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たループの内部に一体化されて位置し、無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の無線電力トランシーバー。
  14. 前記整合器は、方形の形状であることを特徴とする請求項１３に記載の無線電力トランシーバー。
  15. 前記整合器は、コントローラによって生成された制御信号に基づいて、前記無線電力共振器のインピーダンスを調整するために該整合器の物理的な形状を変更することを特徴とする請求項１３に記載の無線電力トランシーバー。
  16. 前記コントローラは、前記無線電力共振器から電力を受信し、また前記無線電力共振器に電力を送信する、相対する共振器の状態に基づいて前記制御信号を生成することを特徴とする請求項１５に記載の無線電力トランシーバー。
  17. 前記コントローラは、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から前記無線電力受信装置の無線電力共振器に送信された電波の反射係数、前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力伝送利得、及び前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力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つに基づいて前記制御信号を生成することを特徴とする請求項１５に記載の無線電力トランシーバー。
  18. 前記整合器は、前記グラウンド導体部分と一体化された形状で、前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離隔されたインピーダンスマッチングのための導体を含み、
    前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に基づいて調整されることを特徴とする請求項１３に記載の無線電力トランシーバー。
  19. 前記整合器は、コントローラによって生成された制御信号に基づいて前記無線電力共振器のインピーダンスを調整する少なくとも１つの能動素子を含むことを特徴とする請求項１３に記載の無線電力トランシーバー。
  20. 前記少なくとも１つのキャパシタは、集中素子として前記第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ことを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  21. 前記少なくとも１つのキャパシタは、分布素子として形成されてジグザグ構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  22. 前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスは、前記無線電力共振器がメタ物質の特性を有する前提、前記無線電力共振器がターゲット周波数で負の透磁率を有する前提、及び前記無線電力共振器がターゲット周波数でゼロ次共振特性を有する前提のうちの少なくとも１つに基づいて設定されることを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  23. 前記第１信号導体部分の表面及び前記第２信号導体部分の表面には複数の導体ラインが並列的に配置され、該複数の導体ラインは、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分のそれぞれの終端で互いに接続されることを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  24. 前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分とは継ぎ目なく互いに接続され、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分とは継ぎ目なく互いに接続されることを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  25. 前記第１信号導体部分、前記第２信号導体部分、及び前記グラウンド導体部分のうちの少なくとも１つは内部に中空の空間を含むことを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  26. 前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分との間の空間を貫通するマグネチックコアを更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  27. 前記無線電力共振器が少なくとも２つの伝送線路を含む場合、該少なくとも２つの伝送線路は、直列、並列、又は螺旋状に接続され、該少なくとも２つの伝送線路のそれぞれに含まれる第１信号導体部分と第２信号導体部分との間に少なくとも１つのキャパシタが挿入されることを特徴とする請求項１０に記載の無線電力トランシーバー。
  28. 少なくとも１つのソース共振器と、
    少なくとも１つのターゲット共振器と、
    前記少なくとも１つのソース共振器からインバウンド電力を受信する受信共振器を含む電力受信部、前記少なくとも１つのターゲット共振器にアウトバウンド電力を送信する送信共振器を含む電力送信部、前記送信共振器と前記少なくとも１つのターゲット共振器との間の結合周波数を制御するカップリング制御部、及び前記電力受信部と前記電力送信部とを電気的に離隔するアイソレーターを有する無線電力トランシーバーと、
    を備えることを特徴とする無線電力システム。
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