JP5728476B2 - 無線電力伝送システム及びそのシステムのための共振器 - Google Patents

無線電力伝送システム及びそのシステムのための共振器 Download PDF

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Description

本発明は、無線電力伝送システムに関し、より詳細には、無線電力伝送システムのための共振器を設計する技術に関する。
無線電力伝送技術の１つは、ＲＦ素子の共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を利用する。コイル構造を使用する共振器は、周波数に応じて物理的なサイズの変更が求められる。
本発明の目的は、無線電力伝送システムのための無線電力共振器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共振器は、少なくとも２つの単位共振器を備え、前記少なくとも２つの単位共振器のそれぞれは、第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を有する。
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。
前記少なくとも２つの単位共振器は、第１単位共振器及び第２単位共振器を含み、前記第１単位共振器は上部平面に位置し、前記第２単位共振器は下部平面に位置し、前記上部平面及び前記下部平面は、所定の距離だけ離れてもよい。
前記第１単位共振器の外部周縁の長さと前記第２単位共振器の外部周縁の長さは互いに同一であり、前記第１単位共振器の内部ループの面積と前記第２単位共振器の内部ループの面積は互いに同一であってもよい。
前記第１単位共振器に挿入されるキャパシタと前記第２単位共振器に挿入されるキャパシタは、互いに反対方向に位置してもよい。
前記第２単位共振器は、前記第１単位共振器のループの内部に含まれてもよい。
前記無線電力共振器は、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置し、前記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含んでもよい。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様による無線電力共振器は、第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を有し、前記第１信号導体部分、前記第２信号導体部分、前記第１導体、及び前記第２導体は、複数のターンを形成する。
前記少なくとも１つの伝送線路に含まれる前記複数のターンは同一の平面に形成されてもよい。
前記無線電力共振器は、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置し、前記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含んでもよい。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様による無線電力共振器は、第１単位共振器及び前記第１単位共振器のサイズより小さいサイズを有する少なくとも１つの第２単位共振器を備え、前記第１単位共振器及び前記少なくとも１つの第２単位共振器のそれぞれは、第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を有し、前記少なくとも１つの第２単位共振器は、前記第１単位共振器のループの内部に位置する。
前記少なくとも１つの第２単位共振器は、前記第１単位共振器のループの内部に一定の間隔をおいて規則的に配置されてもよい。
前記第１単位共振器及び前記少なくとも１つの第２単位共振器のそれぞれは、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置し、前記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含んでもよい。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様による無線電力共振器は、互いに異なる方向に磁界を形成する少なくとも２つの単位共振器を備え、前記少なくとも２つの単位共振器のそれぞれは、第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を有する。
前記少なくとも２つの単位共振器のそれぞれは、前記少なくとも２つの共振器のそれぞれによって形成される磁界が互いに直交するように配置されてもよい。
電流は、前記少なくとも２つの単位共振器の中の少なくとも１つを介して流れてもよい。
無線電力伝送のための共振器を含む無線電力伝送システムを示す図である。 本発明の一実施形態による２次元構造の共振器を示す図である。 本発明の一実施形態による３次元構造の共振器を示す図である。 ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅに設計された無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。 Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅに設計された無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。 ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔが適用された無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。 分布型のキャパシタを使用した無線電力伝送のための共振器の一例を示す図である。 ２次元構造の共振器及び３次元構造の共振器で使用される整合器の例を示す図である。 無線電力伝送のためのｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器に含まれる第１単位共振器及び第２単位共振器を示す図である。 ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器を立体的に示す図である。 互いに異なるサイズを有する２つの単位共振器を含むｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器を示す図である。 水平方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器を示す図である。 垂直方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器を示す図である。 大きい単位共振器及び大きい単位共振器のループの内部に位置する小さい単位共振器を含む無線電力伝送のための共振器を示す図である。 全方向性の特性を有する無線電力送信のための３次元共振器を示す図である。 図２に示す無線電力伝送のための共振器の等価回路を示す図である。 零次共振特性を有する右手−左手系複合伝送線路の等価回路を示す図である。 右手−左手系複合伝送線路で発生する零次共振を概念的に説明するグラフである。 本発明の一実施形態による無線電力伝送のための共振器の特性を示す表である。 本発明の一実施形態による無線電力伝送のための共振器の多様な実施例を示す図である。 本発明の一実施形態による無線電力伝送のための共振器の多様な実施例を示す図である。 本発明の一実施形態による無線電力伝送のための共振器の多様な実施例を示す図である。 図１に示したソースに適用される無線電力送信装置を示すブロック図である。 図１に示したデスティネーションに適用される無線電力受信装置を示すブロック図である。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、無線電力送信のための共振器及び無線電力受信のための共振器を含む無線電力伝送システムを示す図である。
図１を参照すると、共振特性を利用した無線電力伝送システムは、ソース１１０及びデスティネーション１２０を含む。ここで、ソース１１０はヘリックス（ｈｅｌｉｘ）コイル構造の共振器やスパイラル（ｓｐｉｒａｌ）コイル構造の共振器を使用して、デスティネーション１２０に無線で電力を供給する。
ヘリックスコイル構造の共振器やスパイラルコイル構造の共振器などの物理的なサイズは所望する共振周波数に依存する。例えば、所望する共振周波数が１０ＭＨｚの場合、ヘリックスコイル構造の共振器の直径は約０．６ｍ、スパイラルコイル構造の共振器の直径も約０．６ｍのように定められる。ここで、所望する共振周波数が低くなるに従い、ヘリックスコイル構造の共振器及びスパイラルコイル構造の共振器の直径は増加することになる。
共振周波数の変化に応じて、共振器の物理的なサイズが変化することは好ましくない。極端な例として、共振周波数が極めて低い場合は共振器のサイズは極めて大きくなり、これは現実的ではない。共振周波数と共振器のサイズは互いに独立的であることが理想的である。また、共振周波数が高い場合や共振周波数が低い場合の両方に対して合理的な物理的サイズを有しながらも円滑に作動できる共振器が理想的である。
既に知られた内容であるが、理解の便宜のために関連する用語を記述する。全ての物質は固有の透磁率（μ）及び誘電率（ε）を有する。透磁率は、物質から与えられた磁界（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）で発生する磁束密度（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）と真空中で磁界を発生する磁束密度との比を意味する。そして、誘電率は、物質から与えられた電界で発生する電束密度（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）と真空中で電界を発生する電束密度との比を意味する。透磁率及び誘電率は、与えられた周波数又は波長で物質の伝搬定数を決定し、透磁率及び誘電率に応じてその物質の電磁気特性が決定される。特に、自然界に存在しない誘電率又は透磁率を有し、人工的に設計された物質をメタ物質（ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）といい、メタ物質は極めて大きい波長又は極めて低い周波数領域でも容易に（即ち、物質のサイズがあまり変化しなくても）共振状態に置くことができる。
図２は、本発明の一実施形態による２次元構造の共振器を示す図である。
図２を参照すると、本実施形態による２次元構造の共振器は、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、及びグラウンド導体部分２１３を含む伝送線路、キャパシタ２２０、整合器２３０、及び導体２４１、２４２を含む。
図２に示すように、キャパシタ２２０は、伝送線路の第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２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２２０に閉じ込められる。一般的に、伝送線路は、上部に少なくとも１つの導体、下部に少なくとも１つの導体を含み、上部にある導体を通して電流が流れ、下部の導体は電気的に接地（ｇｒｏｕｎｄｅｄ）される。本明細書では、伝送線路の上部にある導体を第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２とに分けて呼び、伝送線路の下部にある導体をグラウンド導体部分２１３と呼ぶことにする。
図２に示すように、本実施形態による共振器２００は、２次元構造の形態を有する。伝送線路は、上部に第１信号導体部分２１１及び第２信号導体部分２１２を含み、下部にグラウンド導体部分２１３を含む。第１信号導体部分２１１及び第２信号導体部分２１２とグラウンド導体部分２１３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２１１及び第２信号導体部分２１２を通じて流れる。
また、図２に示すように、第１信号導体部分２１１の一端は導体２４２に接続され、他端はキャパシタ２２０に接続される。そして、第２信号導体部分２１２の一端は導体２４１に接続され、他端はキャパシタ２２０に接続される。即ち、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、及びグラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２が相互に接続されることによって、共振器２００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」は円形の構造、四角形のような多角形の構造などを全て含み、「ループ構造を有する」ということは、電気的に閉じていることを意味する。
キャパシタ２２０は、伝送線路の中断部に挿入される。より具体的には、キャパシタ２２０は、第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に挿入される。ここで、キャパシタ２２０は、集中素子（ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）及び分布素子（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）などの形態を有することができる。特に、分布素子の形態を有する分布型キャパシタは、ジグザグ形状の導体ラインと、その導体ライン間に存在する高誘電率を有する誘電体を含んで構成される。
キャパシタ２２０を伝送線路２１０に挿入することにより、共振器２００はメタ物質の特性を有し得る。ここで、メタ物質とは、自然界で見つけることができない特別な電気的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。大部分の物質で電界、磁界、及びポインティング・ベクトル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、自然界に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、ＥＮＧ（ε ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＭＮＧ（μ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＤＮＧ（ｄｏｕｂｌｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＮＲＩ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）物質、ＬＨ（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ）物質などに分類される。
ここで、集中素子として挿入されたキャパシタ２２０の容量が適切に決められる場合、共振器２００は、メタ物質の特性を有する。特に、キャパシタ２２０の容量を適切に調整することによって、共振器は負の透磁率を有することができるため、本実施形態による共振器２００はＭＮＧ共振器と呼ばれる。以下で説明するように、キャパシタ２２０の容量を決める前提（ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）は多様であり得る。共振器２００がメタ物質の特性を有する前提、共振器２００が対象周波数で負の透磁率を有する前提、或いは共振器２００が対象周波数で零次共振（Ｚｅｒｏｔｈ−Ｏｒｄｅｒ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を有する前提などがあり、上述の前提のうちの少なくとも１つの前提の下でキャパシタ２２０の容量が決まる。
ＭＮＧ共振器２００は、伝搬定数が０である場合の周波数を共振周波数として有する零次共振特性を有する。ＭＮＧ共振器２００は零次共振特性を有するため、共振周波数はＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズに対して独立である。即ち、以下で再び説明するように、ＭＮＧ共振器２００で共振周波数を変更するためには、キャパシタ２２０を適切に設計することで充分なため、ＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
また、近接フィールドにおいて、電界は、伝送線路２１０に挿入されたキャパシタ２２０に集中するため、キャパシタ２２０によって近接フィールドでは磁界がドミナント（ｄｏｍｉｎａｎｔ）される。そして、ＭＮＧ共振器２００は、集中素子のキャパシタ２２０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。参考として、Ｑ−ファクターは、無線電力伝送において、抵抗損失の程度又は抵抗とリアクタンスとの比を表すので、Ｑ−ファクターが大きいほど無線電力伝送の効率が大きいことが理解される。
また、ＭＮＧ共振器２００は、インピーダンスマッチングのための整合器２３０を含むことができる。ここで、整合器２３０は、ＭＮＧ共振器２００との結合によって磁界の強度を適切に調整することができ、整合器２３０によってＭＮＧ共振器２００のインピーダンスが決定される。そして、電流は、コネクタ２４０を介してＭＮＧ共振器２００に流入するか、ＭＮＧ共振器２００から流出する。ここで、コネクタ２４０は、グラウンド導体部分２１３又は整合器２３０に接続される。但し、コネクタ２４０とグラウンド導体部分２１３又は整合器２３０との間には物理的な接続を形成してもよく、コネクタ２４０とグラウンド導体部分２１３又は整合器２３０との間の物理的な接続なしにカップリングによって電力を伝送してもよい。
より具体的には、図２に示すように、整合器２３０は、共振器２００のループ構造によって形成されるループ内に位置する。整合器２３０は、物理的な形を変更することによって共振器２００のインピーダンスを調整する。特に、整合器２３０は、グラウンド導体部分２１３から距離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２３１を含めることができ、共振器２００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することができる。
図２に示していないが、整合器２３０を制御できるコントローラが存在する場合、整合器２３０は、コントローラによって生成される制御信号に応じて、整合器２３０の物理的形状を変更することができる。例えば、制御信号に応じて整合器２３０の導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈを増加させたり減少させたりし、これにより整合器２３０の物理的形状が変化することで共振器２００のインピーダンス調整が可能になる。コントローラは、様々な要素を考慮して制御信号を生成する。これについては下記で説明する。
整合器２３０は、図２に示すように、導体２３１のような受動素子で具現することができ、実施形態によっては、ダイオード、トランジスタなどの能動素子を実装することができる。能動素子が整合器２３０に含まれる場合、能動素子は、コントローラによって生成される制御信号に応じて駆動され、その制御信号に応じて共振器２００のインピーダンス調整が可能になる。例えば、整合器２３０には、能動素子の一種であるダイオードを含むことができ、ダイオードが「ｏｎ」状態にあるか、「ｏｆｆ」状態にあるかに応じて、共振器２００のインピーダンスを調整することができる。
また、図２に示していないが、ＭＮＧ共振器２００を貫通する磁気コアを更に含んでもよい。このような磁気コアは電力伝送距離を増加させる。
図３は、本発明の一実施形態による３次元構造の共振器を示す図である。
図３を参照すると、本実施形態による３次元構造の共振器２００は、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、及びグラウンド導体部分２１３を含む伝送線路及びキャパシタ２２０を含む。ここで、キャパシタ２２０は、伝送線路の第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に直列に挿入され、電界はキャパシタ２２０に閉じ込められる。
また、図３に示すように、共振器２００は３次元構造の形態を有する。伝送線路は、上部に第１信号導体部分２１１及び第２信号導体部分２１２を含み、下部にグラウンド導体部分２１３を含む。第１信号導体部分２１１及び第２信号導体部分２１２とグラウンド導体部分２１３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２１１及び第２信号導体部分２１２を通じてｘ方向に流れ、この電流によって−ｙ方向に磁界Ｈ（ｗ）が発生する。勿論、図３に示すものとは異なり、＋ｙ方向に磁界Ｈ（ｗ）が発生することもある。
また、図３に示すように、第１信号導体部分２１１の一端は導体２４２に接続され、他端はキャパシタ２２０に接続される。そして、第２信号導体部分２１２の一端は導体２４１に接続され、他端はキャパシタ２２０に接続される。即ち、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、及びグラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２が相互に接続されることによって、共振器２００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」は円形の構造、四角形のような多角形の構造などを全て含み、「ループ構造を有する」ということは、電気的に閉じていることを意味する。
また、図３に示すように、キャパシタ２２０は、第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に挿入される。ここで、キャパシタ２２０は、集中素子及び分布素子などの形態を有することができる。特に、分布素子の形態を有する分布型キャパシタは、ジグザグ形状の導体ラインと、その導体ライン間に存在する高誘電率を有する誘電体を含んで構成される。
図３に示すように、キャパシタ２２０を伝送線路に挿入することにより、共振器２００はメタ物質の特性を有し得る。集中素子として挿入されたキャパシタ２２０の容量が適切に決められる場合、共振器２００はメタ物質の特性を有する。特に、キャパシタ２２０の容量を適切に調整することにより、共振器２００は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、本実施形態による共振器２００はＭＮＧ共振器と呼ばれる。以下で説明するように、キャパシタ２２０の容量を決める前提は多様であり得る。共振器２００がメタ物質の特性を有する前提、共振器２００が対象周波数で負の透磁率を有する前提、或いは共振器２００が対象周波数で零次共振特性を有する前提などがあり、上述の前提のうちの少なくとも１つの前提の下でキャパシタ２２０の容量が決まる。
図３に示す前記ＭＮＧ共振器２００は、伝搬定数が０である場合の周波数を共振周波数として有する零次共振特性を有する。ＭＮＧ共振器２００は零次共振特性を有するため、共振周波数はＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズに対して独立である。ＭＮＧ共振器２００で共振周波数を変更するためには、キャパシタ２２０を適切に設計することで充分なため、ＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
図３に示すように、ＭＮＧ共振器２００を参照すると、近接フィールドにおいて、電界は、伝送線路２１０に挿入されたキャパシタ２２０に集中するため、キャパシタ２２０によって近接フィールドでは磁界がドミナントになる。特に、零次共振特性を有するＭＮＧ共振器２００は、磁気双極子（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅ）のような特性を有するため、近接フィールドでは磁界がドミナントになり、キャパシタ２２０の挿入により発生する少ない量の電界もそのキャパシタ２２０に集中するため、近接フィールドでは、磁界がより一層ドミナントになる。ＭＮＧ共振器２００は、集中素子のキャパシタ２２０を使用して高い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。
また、図３に示すように、ＭＮＧ共振器２００は、インピーダンスマッチングのための整合器２３０を含むことができる。ここで、整合器２３０は、ＭＮＧ共振器２００の磁界の強度を適切に調整することができ、整合器２３０によってＭＮＧ共振器２００のインピーダンスが決定される。そして、電流は、コネクタ２４０を介してＭＮＧ共振器２００に流入するか、ＭＮＧ共振器２００から流出する。ここで、コネクタ２４０は、グラウンド導体部分２１３又は整合器２３０に接続される。
より具体的には、図３に示すように、整合器２３０は、共振器２００のループ構造によって形成されるループ内に位置することができる。整合器２３０は物理的な形態を変更することによって共振器２００のインピーダンスを調整することができる。特に、整合器２３０は、グラウンド導体部分２１３から距離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２３１を含めることができ、共振器２００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することができる。
図３に示していないが、整合器２３０を制御できるコントローラが存在する場合、整合器２３０は、コントローラによって生成される制御信号に応じて、整合器２３０の物理的形状を変更することができる。例えば、制御信号に応じて整合器２３０の導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈを増加させたり減少させたりし、これにより整合器２３０の物理的形状が変化することで共振器２００のインピーダンス調整が可能になる。整合器２３０の導体２３１とグラウンド導体部分２３０との間の距離ｈは、多様な方式で調整が可能である。即ち、第１に、整合器２３０には、様々な導体を含むことができ、その導体のうちのいずれかを適応的に活性化することで、距離ｈを調整することができる。第２に、導体２３１の物理的な位置を上下に調整することにより、距離ｈを調整することができる。このような距離ｈは、コントローラの制御信号に応じて制御することができ、コントローラは、様々な要素を考慮して制御信号を生成する。コントローラが制御信号を生成することについては下記で説明する。
整合器２３０は、図３に示すように、導体２３１のような受動素子で具現することができ、実施形態によっては、ダイオード、トランジスタなどの能動素子を実装することができる。能動素子が整合器２３０に含まれる場合、能動素子は、コントローラによって生成される制御信号に応じて駆動され、その制御信号に応じて共振器２００のインピーダンス調整が可能になる。例えば、整合器２３０には、能動素子の一種であるダイオードを含むことができ、ダイオードが「ｏｎ」状態にあるか、「ｏｆｆ」状態にあるかに応じて、共振器２００のインピーダンスを調整することができる。
また、図３には示していないが、ＭＮＧ共振器２００を貫通する磁気コアを更に含んでもよい。このような磁気コアは電力伝送距離を増加させる。
図４は、ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅに設計され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４を参照すると、第１信号導体部分２１１と導体２４２は個別に製造された後で相互に接続されるのではなく、１つの一体型として製造される。同様に、第２信号導体部分２１２と導体２４１も１つの一体型として製造される。
第２信号導体部分２１２と導体２４１が個別に製造された後で互いに接続される場合は、継ぎ目２５０による導体損失が発生し得る。本実施形態によると、第２信号導体部分２１２と導体２４１とは別途の継ぎ目なし（ｓｅａｍｌｅｓｓ）に相互に接続され、導体２４１とグラウンド導体部分２１３も別途の継ぎ目なしに相互に接続され、継ぎ目による導体損失を減らすことができる。即ち、第２信号導体部分２１２とグラウンド導体部分２１３とは別途の継ぎ目なしに１つの一体型として製造される。同様に、第１信号導体部分２１１とグラウンド導体部分２１３とは別途の継ぎ目なしに１つの一体型として製造される。
図４に示すように、別途の継ぎ目なしに１つの一体型で、２以上の部分（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）を互いに接続するタイプを「ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅ」と呼ぶ。
図５は、Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅに設計され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５を参照すると、Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅに設計された無線電力伝送のための共振器の第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２のそれぞれは、内部が空いている空間を含む。
与えられた共振周波数において、有効電流は第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２のそれぞれの全ての部分を流れるのではなく、一部分のみを介して流れるものとしてモデリングすることができる。即ち、与えられた共振周波数において、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２の厚さがそれぞれのｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈよりも過度に厚いことは効率的ではない。即ち、それは共振器の重さや共振器の製造コストを増加させる原因になり得る。
従って、本実施形態によると、与えられた共振周波数において、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２のそれぞれのｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈに基づいて、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２のそれぞれの厚さを適切に決定する。第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２のそれぞれが該当するｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈよりも大きいながらも適切な厚さを有する場合、共振器２００は軽くすることができ、共振器２００の製造コストも減らすことができる。
例えば、図５に示すように、第２信号導体部分２１２の厚さはｄｍのように決定され、ｄは
Figure 0005728476
のように決定することができる。ここで、ｆは周波数、μは透磁率、σは導体定数を表す。特に、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２が銅（ｃｏｐｐｅｒ）として５．８×１０７の導電率を有する場合、共振周波数が１０ｋＨｚではｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈが約０．６ｍｍであり、共振周波数が１００ＭＨｚではｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈは０．００６ｍｍである。
図６は、ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔが適用され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６を参照すると、ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔが適用される無線電力伝送のための共振器の第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２のそれぞれの表面にはｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔが適用される。
第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２は、完全な導体ではないことから抵抗成分を有し、その抵抗成分によって抵抗損失が発生する。このような抵抗損失は、Ｑ−ファクターを減少させ、カップリング効率を減少させる。
本実施形態によると、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２のそれぞれの表面にｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔを適用することによって抵抗損失を減らし、Ｑ−ファクター及びカップリング効率を向上させることができる。図６に示す中断部２７０を参照すると、ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔが適用される場合、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２のそれぞれは複数の導体ラインを含む。この導体ラインは並列に配置され、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２は、それぞれの終端で接地される。
第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２のそれぞれの表面にｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔを適用する場合、導体ラインが並列に配置されるため、導体ラインが有する抵抗成分の和は減少する。従って、抵抗損失を減らすと共にＱ−ファクター及びカップリング効率を増加させることができる。
図７は、分布型のキャパシタを使用し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７を参照すると、無線電力伝送のための共振器に含まれるキャパシタ２２０は、分布型のキャパシタとすることができる。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）を有する。集中素子としてのキャパシタが有するＥＳＲを減らすためにいくつかの提案があるが、本実施形態では、分布素子としてのキャパシタ２２０を用いることによってＥＳＲを減らすことができる。参考として、ＥＳＲによる損失はＱ−ファクター及びカップリング効率を減少させる。
分布素子としてのキャパシタ２２０は、図７に示すように、ジグザグ構造を有する。即ち、分布素子としてのキャパシタ２２０は、ジグザグ構造の導体ライン及び誘電体に実現されてもよい。
また、図７に示すように、本実施形態では、分布素子としてのキャパシタ２２０を用いることによってＥＳＲによる損失を減らすことができるが、複数の集中素子としてのキャパシタを並列的に用いることによってＥＳＲによる損失を減らすことができる。その理由は、集中素子としてのキャパシタのそれぞれが有する抵抗成分は、並列接続を介して小さくなるため、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な抵抗も小さくなり、従って、ＥＳＲによる損失を減らすことができる。例えば、１０ｐＦのキャパシタの使用を、１ｐＦのキャパシタ１０個を用いるものと代替することによって、ＥＳＲによる損失を減らすことができる。
図８は、２次元構造の共振器及び３次元構造の共振器で使用される整合器の例を示す図である。
図８（Ａ）は整合器を含む図２に示した２次元共振器の一部を示し、図８（Ｂ）は整合器を含む図３に示した３次元共振器の一部を示す。
図８（Ａ）を参照すると、整合器は、導体２３１、導体２３２、及び導体２３３を含み、導体２３２及び導体２３３は、伝送線路のグラウンド導体部分２１３及び導体２３１に接続される。導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈに応じて、２次元共振器のインピーダンスは決定され、導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈは、コントローラによって制御される。導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈは、多様な方式で調整することができ、導体２３１になり得るいくつかの導体のうちのいずれかを適応的に活性化することで距離ｈを調整する方式、導体２３１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８（Ｂ）を参照すると、整合器は、導体２３１、導体２３２、及び導体２３３を含み、導体２３２及び導体２３３は、伝送線路のグラウンド導体部分２１３及び導体２３１に接続される。導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈに応じて、３次元共振器のインピーダンスは決定され、導体２３１とグラウンド導体部分２１３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と同様に、３次元構造の共振器に含まれる整合器も、導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈは、多様な方式で調整することができる。例えば、導体２３１になり得るいくつかの導体のうちのいずれかを適応的に活性化することで距離ｈを調整する方式、導体２３１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８に示していないが、整合器は能動素子を含むことができ、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、上述の方式と類似する。即ち、能動素子を用いて整合器に流れる電流の経路を変更することで、共振器のインピーダンスを調整することができる。
図９は、無線電力伝送のためのｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器に含まれる第１単位共振器及び第２単位共振器を示す図である。
図９を参照すると、ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器に含まれる第１単位共振器２１及び第２単位共振器２２のそれぞれは、伝送線路の中断部に伝送経路に対して直列に挿入されたキャパシタを含む。そして、第１単位共振器２１は、厚さｅ、高さｃの整合器を含み、第２単位共振器２２も、図９に示すような整合器を含むことができる。第２単位共振器２２が整合器を含む場合、第１単位共振器２１に含まれる整合器と第２単位共振器２２に含まれる整合器は互いにｖｉａを介して接続することができ、このような場合、両方の単位共振器２１、２２のいずれかの共振器に電力が印加されると、２つの単位共振器２１、２２の両方が共に作動する。
また、図９に示す第１単位共振器２１の縦長さは「ａ」であり、第１単位共振器２１の横長さは「ｂ」であり、伝送線路の厚さは「ｄ」であり、整合器の縦長さは「ｃ」であり、整合器の厚さは「ｅ」である。ここで、ａは約５０ｍｍ〜７０ｍｍ、ｂは約３０ｍｍ〜５０ｍｍ、ｃは４ｍｍ〜４．６ｍｍ、ｄは４．５ｍｍ〜５．５ｍｍ、ｅは１．７ｍｍ〜２．３ｍｍの範囲の値を有することができる。例えば、ａは６０ｍｍ、ｂは４０ｍｍ、ｃは４．３ｍｍ、ｄは５ｍｍ、ｅは２ｍｍであってもよい。勿論、上述のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅのサイズは単なる例である。即ち、ａのサイズが７０ｍｍよりも大きい場合も容易に考えられる。ｈの値は、所望する共振周波数などに応じて適応的に調整される。
図９に示す第１単位共振器２１及び第２単位共振器２２は、２つの層に積み上げられ、２つの層で構成された第１単位共振器２１及び第２単位共振器２２を含む共振器をｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器と呼ぶ。例えば、第１単位共振器２１は１つの平面に位置し、第２単位共振器２２はその平面から所定の距離だけ離れた他の平面に位置する。
また、図９に示す第１単位共振器２１の外部周縁の長さと第２単位共振器２２の外部周縁の長さとが互いに同一であり、第１単位共振器２１の内部ループの面積と第２単位共振器２２の内部ループの面積とが互いに同一である場合、第１単位共振器２１と第２単位共振器２２との間で相互結合（ｍｕｔｕａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が極大化する。
そして、図９に示す第１単位共振器２１のキャパシタ及び第２単位共振器２２のキャパシタは同じ方向に挿入されてもよく、反対の方向に挿入されてもよい。第１単位共振器２１のキャパシタ及び第２単位共振器２２のキャパシタが互いに反対の方向に挿入される場合については、図１０を参照して具体的に説明する。
図１０は、ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器を立体的に示す図である。
図１０を参照すると、第１単位共振器２１の下部に第２単位共振器２２が配置され、ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器は２つの層として第１単位共振器２１及び第２単位共振器２２を含む。
図１０に示すように、第１単位共振器２１のキャパシタ及び第２単位共振器２２のキャパシタは互いに反対の方向に挿入されてもよい。但し、図１０に示すものとは異なり、第１単位共振器２１のキャパシタ及び第２単位共振器２２のキャパシタは、互いに同一方向に挿入されてもよい。
図１０に示すように、第１単位共振器２１の外部周縁の長さと第２単位共振器２２の外部周縁の長さが互いに同一であり、第１単位共振器２１の内部ループの面積と第２単位共振器２２の内部ループの面積とが互いに同一である場合、第１単位共振器２１と第２単位共振器２２のとの間で相互結合が極大化する。
図１１は、互いに異なるサイズを有する２つの単位共振器を含むｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器を示す図である。
図１１を参照すると、ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器は、互いに異なるサイズを有する第１単位共振器２１及び第２単位共振器２２を含む。即ち、ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇタイプの共振器において、第２単位共振器２２は、第１単位共振器２１のループ内部に含まれる。ここで、第１単位共振器２１及び第２単位共振器２２０は、同一の平面に配置されてもよく、他の平面に配置されてもよい。
図１１において、Ｃ１は、第１単位共振器２１に挿入されるキャパシタを示し、Ｃ２は第２単位共振器２２に挿入されるキャパシタを示す。
図１２は、水平方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器を示す図である。
図１２を参照すると、水平方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器は水平方向に形成された複数のターンを含む。より具体的には、図１２に示す２ターンを含む共振器を参照すると、上側にある導体は、伝送線路に含まれる第１信号導体部分及び第２信号導体部分を示し、下側にある導体は、伝送線路に含まれるグラウンド導体部分を示す。そして、左側にある導体は第１信号導体部分とグラウンド導体部分とを接続する第１導体であり、右側にある導体は第２信号導体部分とグラウンド導体部分とを接続する第２導体である。ここで、第１信号導体部分、第２信号導体部分、第１導体、及び第２導体は２ターンを含む。同様に、より具体的には、図１２に示す３ターンを含む共振器を参照すると、その共振器に含まれる第１信号導体部分、第２信号導体部分、第１導体、及び第２導体は３ターンを含んでいることが分かる。ここで、ターンのそれぞれのサイズは同じであってもよく、異なってもよい。
略同一の平面上で複数のターンが形成されるため、そのターンは水平方向に形成されたものと見なすことができ、水平方向に形成された複数のターンによって共振器のインダクタンス値を高めることができる。従って、そのインダクタンスに対するキャパシタの容量が相対的に小さくなる。従って、ＥＳＲの影響を減らすことができ、このような複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器は、携帯電話のようなモバイルデバイスに適用され得る。
図１３は、垂直方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器を示す図である。
図１３の正面図を参照すると、垂直方向に複数のターンを有する共振器は、図２に示す共振器を含んでもよく、図１３の側面図及び拡大図を参照すると、垂直方向に複数のターンが形成されることが分かる。ここで、複数のターンは相互に電気的に接続される。
図１３を参照すると、複数のターンのそれぞれは、異なる平面上に存在する。ここで、ターンのそれぞれのサイズは同一であってもよく、異なってもよい。複数のターンのそれぞれが互いに異なる平面上に存在するため、複数のターンは垂直方向に形成されたと見なすことができ、垂直方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器は、３階構造を有するものと確認することができる。このような３階構造によって、与えられた断面積に対してインダクタンスが増大し、相対的にキャパシタの容量が小さくなる。従って、共振器は、ＥＳＲの影響をそれほど受けないことから、携帯電話のようなモバイルデバイスに適用され得る。それだけではなく、図１３に示す共振器は、図１２に示す水平方向に複数のターンを有する無線電力伝送のための共振器に比べて、周辺環境に与える影響を最小限に抑えることができる。
上述したｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔの概念を説明すると、図１２及び図１３に示す複数のターンは１つの接地面に接地される。このような場合、図１２及び図１３に示す複数のターンが１つの接地面に接地されることで、抵抗損失が最小化され、従って、キューファクターを向上させることができる。
図１４は、大きい単位共振器及び大きい単位共振器のループの内部に位置する小さい単位共振器を含む無線電力伝送のための共振器を示す図である。
図１４を参照すると、無線電力伝送のための共振器は、横の長さａ、縦の長さｂを有する第１単位共振器と、第１単位共振器のサイズよりも小さいサイズを有する６個の第２単位共振器を含む。ここで、第２単位共振器の個数は変わり得る。６個の第２単位共振器は、第１単位共振器のループ内部に位置し、１単位共振器のループ内部で一定の間隔をおいて規則的に配置される。ここで、ａは約２６０ｍｍ、ｂは約１５０ｍｍ、ｃは約２７．５ｍｍ、ｄは約１６．７ｍｍである。
図１４に示す共振器は、高い実効透磁率を有することができ、電力伝送利得を増加させることができる。その理由は、第２単位共振器は、効果的に第１単位共振器の透磁率を増大し、図１４に示す全体（ｏｖｅｒａｌｌ）の共振器の透磁率を増加させることができる。図１４に示す共振器によると、物質に依存して透磁率を増加させるのではなく、第１単位共振器及び第２単位共振器の配置を利用して実効透磁率を増加させることができる。
図１５は、全方向性（ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）の特性を有する無線電力送信のための３次元共振器を示す図である。
図１５に示す共振器１を参照すると、第１単位共振器による磁界と第２単位共振器による磁界は互いに異なる方向に形成される。特に、第１単位共振器による磁界と第２単位共振器による磁界は直交するため、その磁界は互いにカップリングされない。従って、図１５に示す共振器１は全方向に電力を送信することができる。
また、図１５に示す共振器２を参照すると、正六面体に含まれる６個の面のそれぞれが単位共振器に対応する。このような図１５に示す共振器２は、全方向に電力を送信できるだけではなく、磁界の強度を適応的に調整することもできる。
また、本実施形態による共振器は、図１５に示す共振器３の構造を有してもよく、このような共振器も全方向に電力を送信することができる。
また、本発明の実施形態による共振器は、図１５に示す共振器４のように、球形の構造を有してもよい。図１５に示す共振器４を参照すると、球形の外郭は伝送線路に取り囲まれ、球形の内部にはクロスフィーダ（ｃｒｏｓｓ ｆｅｅｄｅｒ）を配置してもよい。クロスフィーダは数個のフィーダを含み、数個のフィーダのうち活性化されたフィーダに対応する方向に電力が送信される。特に、全てのフィーダが活性化される場合、全方向に電力を送信することができる。
図１６は、図２に示す無線電力伝送のための共振器の等価回路を示す図である。
図２に示す無線電力伝送のための共振器は、図１６に示す等価回路にモデリングすることができる。図１６に示す等価回路において、ＣＬは図２に示す伝送線路の中断部に集中素子の形態で挿入されたキャパシタを示す。
ここで、図２に示す無線電力伝送のための共振器は零次共振特性を有する。即ち、伝搬定数が０である場合、無線電力伝送のための共振器は
Figure 0005728476
を共振周波数として有するものと仮定する。ここで、共振周波数
Figure 0005728476
は下記の数式１のように表すことができる。ここで、ＭＺＲは、μ Ｚｅｒｏ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒを意味する。
Figure 0005728476
上記数式１を参照すると、共振器の共振周波数
Figure 0005728476
はＬＲ／ＣＬによって決定することができ、共振周波数
Figure 0005728476
と共振器の物理的なサイズは、互いに独立していることが分かる。従って、共振周波数
Figure 0005728476
と共振器の物理的なサイズが互いに独立しているため、共振器の物理的なサイズは十分に小さくなり得る。
図１７は、零次共振特性を有する右手−左手系複合伝送線路（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｒｉｇｈｔ−Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｍｅ）の等価回路を示す図である。本実施形態による無線電力伝送のための共振器は、ＭＮＧ伝送線路を基盤とするので、右手−左手系複合伝送線路を介してＭＮＧ伝送線路を説明することにする。
図１７を参照すると、右手−左手系複合伝送線路の等価回路は、基本的な伝送線路に比べて、ｓｅｒｉｅｓ−ｃａｐａｃｉｔｏｒである
Figure 0005728476
４１２、及びｓｈｕｎｔ−ｉｎｄｕｃｔｏｒである
Figure 0005728476
４２２を追加的に含む。ここで、
Figure 0005728476
４１１及び
Figure 0005728476
４２１は、基本的な伝送線路が有するインダクター成分及びキャパシタ成分を表す。
ここで、インピーダンスＺ’４１０は
Figure 0005728476
４１１に対応する成分と
Figure 0005728476
４１２に対応する成分との和であり、アドミッタンスＹ’４２０は
Figure 0005728476
４２１に対応する成分と
Figure 0005728476
４２２に対応する成分との和である。
従って、インピーダンスＺ’４１０及びアドミッタンスＹ’４２０は下記の数式２のように表すことができる。
Figure 0005728476
上記数式２を参照すると、共振周波数（共振周波数でインピーダンスＺ’４１０又はアドミッタンスＹ’４２０の大きさ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が最小となる）は、基本的な伝送線路に
Figure 0005728476
４１２、及び
Figure 0005728476
４２２を適切に追加することによって調整され、右手−左手系複合伝送線路は零次共振特性を有することが分かる。即ち、右手−左手系複合伝送線路の共振周波数は伝搬定数が０であるときの周波数である。
基本的な伝送線路に
Figure 0005728476
４１２のみが追加された場合に、このような伝送線路は、特定の周波数帯域で負の透磁率を有するため、ＭＮＧ伝送線路と呼ばれる。また、
Figure 0005728476
４２２のみが追加された場合、そのような伝送線路は、負の誘電率を有するためＥＮＧ伝送線路と呼ばれ、ＭＮＧ伝送線路及びＥＮＧ伝送線路も零次共振特性を有する。
本実施形態によるＭＮＧ共振器は、近接フィールドで磁界がドミナントできるように
Figure 0005728476
４１２を含む。即ち、近接フィールドで、電界は
Figure 0005728476
４１２に集中されるため、近接フィールドで磁界がドミナントになる。
また、ＭＮＧ共振器は、右手−左手系複合伝送線路と同様に零次共振特性を有するため、共振周波数に関係がなく、ＭＮＧ共振器は小さく製造することができる。
図１８は、右手−左手系複合伝送線路で発生する零次共振を概念的に説明するグラフである。
図１８を参照すると、右手−左手系複合伝送線路は、Ａ、Ｂの共振周波数を有する。ここで、Ａ、Ｂに対応する伝搬定数（β）は０であるため、右手−左手系複合伝送線路は零次共振特性を有する。
右手−左手系複合伝送線路と同様に、ＭＮＧ伝送線路及びＥＮＧ伝送線路も零次共振特性を有する。例えば、ＭＮＧ伝送線路の共振周波数がＡであり、ＥＮＧ伝送線路の共振周波数がＢであってもよい。従って、本実施形態によるＭＮＧ共振器は、十分に小さいサイズで製造することができる。
図１９は、本発明の一実施形態による無線電力伝送のための共振器の特性を示す表である。
図１９を参照すると、本実施形態によるＭＮＧ共振器の近接フィールドで、磁界が電界に比べてドミナントである。また、ＭＮＧ共振器は、磁界結合を介して電力伝送の効率を向上させることができる。
そして、本実施形態によるＭＮＧ共振器は、３次元構造に製造されてもよく、高いＱ−ファクターを指す。そして、本実施形態によるＭＮＧ共振器は、近距離無線電力伝送のために用いられる。
図２０〜図２２は、本発明の一実施形態による無線電力伝送のための共振器の多様な実施例を示す図である。
図２０を参照すると、本実施形態による無線電力伝送のための共振器は、互いに直列に接続された複数の伝送線路７１０、７２０、７３０を含む。ここで、複数のキャパシタ７１１、７２１、７３１のそれぞれは、複数の伝送線路７１０、７２０、７３０のそれぞれに挿入される。
図２１を参照すると、本実施形態による無線電力伝送のための共振器は、スパイラル構造を有する。即ち、複数の伝送線路は、スパイラル構造で相互に接続され、複数の伝送線路のそれぞれに複数のキャパシタのそれぞれを挿入する。
また、図２２を参照すると、本実施形態による無線電力伝送のための共振器は並列に接続された複数の伝送線路９１０、９２０、９３０を含む。
図２０〜図２２に示す形態の他にも本実施形態による無線電力伝送のための共振器は多様な形態に製造することができる。
図２３は、図１に示したソースに適用される無線電力送信装置を示すブロック図である。
図２３を参照すると、無線電力送信装置１０００は、無線電力送信共振器１０１０及び前処理部１０２０を含む。
無線電力送信共振器１０１０は、図１〜図２２を参照して説明した共振器であり、無線電力送信共振器１０１０によって伝搬する電磁波（ｗａｖｅ）によって電力を無線で送信する。
前処理部１０２０は、無線電力送信装置１０００の外部又は内部の電源供給機から供給されたエネルギーを用いて、無線電力送信のための電流及び周波数を生成する。
より具体的に、前処理部１０２０は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２１、周波数生成器１０２２、パワー増幅器１０２３、コントローラ１０２４、検出器１０２５を含む。
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２１は、電源供給機から供給された交流（ＡＣ）エネルギーを直流（ＤＣ）エネルギー又は直流電流に変換する。ここで、周波数生成器１０２２は、その直流エネルギー又は直流電流に応じて、所望する周波数（即ち、共振周波数）を生成し、所望する周波数を有する電流を生成する。所望する周波数を有する電流は、パワー増幅器１０２３によって増幅されてもよい。
コントローラ１０２４は、無線電力送信共振器１０１０のインピーダンスを調整するための制御信号を生成し、周波数生成器１０２２によって生成される周波数を制御することができる。例えば、複数の周波数帯域のうち、電力伝送利得、カップリング効率などが最大化される最適な周波数を選択する。
また、検出器１０２５は、無線電力送信共振器１０１０と無線電力受信装置の無線電力受信共振器との間の距離、無線電力送信共振器１０１０から無線電力受信共振器に放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）される電磁波の反射係数、無線電力送信共振器１０１０と無線電力受信共振器との間の電力伝送利得、或いは無線電力送信共振器１０１０と無線電力受信共振器との間のカップリング効率などを検出する。
ここで、コントローラ１０２４は、上記距離、反射係数、電力伝送利得、カップリング効率などを考慮し、無線電力送信共振器１０１０のインピーダンスを調整したり、周波数生成器１０２２によって生成される周波数を調整したりすることができる制御信号を生成する。
図２４は、図１に示したデスティネーションに適用される無線電力受信装置を示すブロック図である。
図２４を参照すると、無線電力受信装置１１００は、無線電力受信共振器１１１０、整流器１１２０、検出器１１３０、及びコントローラ１１４０を含む。
無線電力受信共振器１１１０は、図１〜図２２を参照して説明した共振器であり、無線電力送信装置によって伝播される電磁波を受信する。
整流器１１２０は、受信された電磁波による電力を直流エネルギーに変換し、その直流エネルギーの全て又は一部をターゲットデバイスに提供する。
また、検出器１１３０は、無線電力送信共振器と無線電力受信装置１１００の無線電力受信共振器１１１０との間の距離、無線電力送信共振器から無線電力受信共振器１１００に放射される電磁波の反射係数、無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間の電力伝送利得、或いは無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間のカップリング効率などを検出する。
また、コントローラ１１４０は、無線電力送信共振器と無線電力受信装置１１００の無線電力受信共振器１１１０との間の距離、無線電力送信共振器から無線電力受信共振器１１００に送信される電磁波の反射係数、無線電力送信共振器と前記無線電力受信共振器１１００との間の電力伝送利得、或いは無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間のカップリング効率などに基づいて、無線電力受信共振器のインピーダンスを調整するための制御信号を生成する。
以上、本発明を限られた実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。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。
２１ 第１単位共振器
２２ 第２単位共振器
１１０ ソース
１２０ デスティネーション
２００ 共振器
２１０、７１０、７２０、７３０、９１０、９２０、９３０ 伝送線路
２１１ 第１信号導体部分
２１２ 第２信号導体部分
２１３ グランド導体部分
２２０、７１１、７２１、７３１ キャパシタ
２３０ 整合器
２３１、２３２、２３３、２４１、２４２ 導体
２４０ コネクタ
２５０ 継ぎ目
４１０ インピーダンスＺ′
４２０ アドミタンスＹ′
１０００ 無線電力送信装置
１０１０ 無線電力送信共振器
１０２０ 前処理部
１０２１ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１０２２ 周波数生成器
１０２３ パワー増幅器
１０２４、１１４０ コントローラ
１０２５、１１３０ 検出器
１１００ 無線電力受信装置
１１１０ 無線電力受信共振器
１１２０ 整流器

Claims (12)

  1. 少なくとも２つの単位共振器を備え、
    前記少なくとも２つの単位共振器のそれぞれは、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を有し、
    前記少なくとも２つの単位共振器の内の少なくとも１つの単位共振器は、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置して前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含む無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器を有し、
    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整合器の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応じて調整されることを特徴とする無線電力共振器。
  2. 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１に記載の無線電力共振器。
  3. 前記少なくとも２つの単位共振器は、第１単位共振器及び第２単位共振器を含み、
    前記第１単位共振器は上部平面に位置し、前記第２単位共振器は下部平面に位置し、前記上部平面及び前記下部平面は、所定の距離だけ離れることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  4. 前記第１単位共振器の外部周縁の長さと前記第２単位共振器の外部周縁の長さは互いに同一であり、前記第１単位共振器の内部ループの面積と前記第２単位共振器の内部ループの面積は互いに同一であることを特徴とする請求項３に記載の無線電力共振器。
  5. 前記第１単位共振器に挿入されるキャパシタと前記第２単位共振器に挿入されるキャパシタは、互いに反対方向に位置することを特徴とする請求項３に記載の無線電力共振器。
  6. 前記第２単位共振器は、前記第１単位共振器のループの内部に含まれることを特徴とする請求項３に記載の無線電力共振器。
  7. 第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置して前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含む無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を有し、
    前記第１信号導体部分、前記第２信号導体部分、前記第１導体、及び前記第２導体は、複数のターンを形成し、
    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整合器の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応じて調整されることを特徴とする無線電力共振器。
  8. 前記少なくとも１つの伝送線路に含まれる前記複数のターンは同一の平面に形成されることを特徴とする請求項７に記載の無線電力共振器。
  9. 第１単位共振器及び前記第１単位共振器のサイズより小さいサイズを有する少なくとも１つの第２単位共振器を備え、
    前記第１単位共振器及び前記少なくとも１つの第２単位共振器のそれぞれは、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置して無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を有し、
    前記少なくとも１つの第２単位共振器は、前記第１単位共振器のループの内部に位置することを特徴とする無線電力共振器。
  10. 前記少なくとも１つの第２単位共振器は、前記第１単位共振器のループの内部に一定の間隔をおいて配置されることを特徴とする請求項９に記載の無線電力共振器。
  11. 互いに異なる方向に磁界を形成する少なくとも２つの単位共振器を備え、
    前記少なくとも２つの単位共振器のそれぞれは、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と前記第１信号導体部分及び前記第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信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を有し、
    前記少なくとも２つの単位共振器の内の少なくとも１つの単位共振器は、前記伝送線路、前記第１導体、及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置して前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含む無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器を有し、
    前記少なくとも２つの単位共振器のそれぞれは、無線電力共振器が全方向に電力を伝送するように、前記少なくとも２つの共振器のそれぞれによって形成される磁界が互いに直交するように配置され、
    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整合器の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応じて調整されることを特徴とする無線電力共振器。
  12. 電流は、前記少なくとも２つの単位共振器の中の少なくとも１つを介して流れることを特徴とする請求項１１に記載の無線電力共振器。
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