JP6148234B2 - 整調可能無線電力アーキテクチャ - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本発明は、２０１１年８月４日に出願された米国特許仮出願第６１／５１５，３２４号の恩典を主張する。
本発明は、無線エネルギー伝送、方法、このような伝送を行うシステム及び装置、並びに用途に関する。
エネルギー及び電力は様々な既知の放射又は遠距離場、及び非放射又は近距離場の技術を使用して無線で伝送することができ、これら技術は、特許文献１（「WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM」と題し、米国特許出願第１２／６１３，６８６号として出願され、２０１０年５月６日に刊行された米国特許出願公開第２０１０／０１０９４４５号）、特許文献２（「Integrated Resonator-Shield Structure」と題し、米国特許出願第１２／８６０，３７５号として出願され、２０１０年１２月９日に刊行された米国特許出願公開第２０１０／０３０８９３９号）、特許文献３（「Low Resistance Electrical Conductor」と題し、米国特許出願第１３／２２２，９１５号として出願され、２０１２年３月１５日に刊行された米国特許出願公開第２０１２／００６２３４５号）、特許文献４（「Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting」と題し、米国特許出願第１３／２８３，８１１号として出願され、２０１２年１０月４日に刊行された米国特許出願公開第２０１２／０２４８９８１号）に詳細に記載されており、これら特許文献は参照によって本明細書に組込まれるものとする。従来技術の無線エネルギー伝送システムは、ユーザーの安全性、低い伝送効率、並びにエネルギー供給及びシンクコンポーネントのための限定的物理的近接／整列公差に関する問題を含む様々な要因によって制限されてきた。
米国特許出願公開第２０１０／０１０９４４５号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０３０８９３９号明細書 米国特許出願公開第２０１２／００６２３４５号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２４８９８１号明細書
無線エネルギー伝送における１つの特別な難関は、共振器構体及び負荷に対して制御した電力を送給する電源（ソース）の制御及び整調である。無線エネルギー伝送システムにおいて、電源及びデバイスは移動する、又は位置を変化させる。システム素子間の相対位置が変化するにつれて、無線エネルギー伝送特性は変化する。電源とデバイスとの間の結合は、例えば、エネルギー伝送効率低下を変化させることができる。無線エネルギー伝送特性における変化は、負荷に送給される電力を変化させる、又は望ましくない電力変動をデバイスにおける負荷に送給するおそれがある。システムコンポーネントの位置、結合、指向性等に無関係にデバイスの負荷に対して効率的で一定のエネルギー送給を維持するよう整調可能なコンポーネントを有する整調可能な無線エネルギー伝送システムの方法及び設計に対する必要性が存在する。
様々な実施形態において、種々のシステム及びプロセスは結合共振器を使用して無線エネルギー伝送を行う。若干の実施形態において、無線エネルギー伝送システムは、無線エネルギーのソース（送り側）及びシンク（受け側）を検証及び認証する能力を必要とする、又はこのような能力の恩恵を受ける。このような実施形態の特徴は、一般的なものであり、また本明細書で詳述する特定実施例に係わらず、様々な共振器に適用することができる。
実施形態において、磁気共振（共鳴）器は、インダクタ及びキャパシタの幾つかの組合せを有する。付加的な回路素子、例えば、キャパシタ、インダクタ、抵抗、スイッチ等を磁気共振器と電源との間及び／又は磁気共振器と電力負荷との間に挿入することができる。本明細書において、共振器の高Ｑ値誘導ループを有する導電コイルを、インダクタ及び／又は誘導負荷と称する。誘導負荷は、他のシステム又は外部物体に無線結合される（相互インダクタンスを介して）とき、インダクタと称される。本明細書において、誘導負荷以外の回路素子は、インピーダンス整合回路又はＩＭＮ（impedance matching network）の一部として言及する。インピーダンス整合回路の一部として言及される素子のすべて、若干、又は言及されないものも、磁気共振器の一部となり得ると理解されたい。どの素子が共振器の一部であるか、またどの素子が共振器とは別個であるかは、特定の磁気共振器及び無線エネルギー伝送システムの設計に依存する。
他に明示しない限り、本明細書は、無線エネルギー伝送、無線電力伝送、無線送電等の用語を互換的に使用する。当業者であれば、種々のシステム・アーキテクチャは、本明細書に記載した様々な無線システムの設計及び機能性によって支えられていることが理解できるであろう。
本明細書に記載する無線エネルギー伝送システムにおいて、電力を少なくとも２つの共振器間で無線的に交換することができる。共振器は、エネルギーを供給し、受取り、保持し、伝送し、また配給することができる。無線電力源は、ソース又はサプライと称することができ、また無線電力の受け側は、デバイス、レシーバ及び電力負荷と称することができる。共振器は、ソース、デバイス、若しくは同時にその双方にもなることができる、又は一機能から他の機能に制御した状態で変化し得る。電力サプライ若しくは電力ドレインに有線接続されておらず、エネルギーを保持又は配給するよう構成した共振器は、リピータと称することができる。
本発明の無線エネルギー伝送システムにおける共振器は、共振器自体のサイズに比較すると大きい距離にわたり電力を伝送することができる。すなわち、共振器サイズが共振器構体を包囲する最小球体の半径によって特徴付けられる場合、本発明の無線エネルギー伝送システムは共振器の特徴付けサイズより大きい距離にわたり電力を伝送することができる。システムは、異なった特徴付けサイズを有し、また共振器の誘導素子が異なったサイズ、異なった形状を有し、異なった材料で構成されている等である場合に共振器相互間でエネルギーを交換することができる。
本発明の無線エネルギー伝送システムは、結合領域、付勢面積若しくは体積を有する、と記載され、これらはすべて互いに個別の共振物体間でエネルギーを伝送する、互いに離れる可変距離を有する、また相対的に移動すると記載する。若干の実施形態において、エネルギーが伝送される面積又は体積は、活性場面積又は活性場体積と称する。さらに、無線エネルギー伝送システムは、それぞれが電力ソース、電力負荷、その双方に結合されている、又はいずれにも結合されていない、２個の共振器よりも多い数の共振器を有することができる。
無線供給されたエネルギーを使用して電気的若しくは電子的な機器、再充電バッテリに給電し、又はエネルギー貯蔵ユニットに充電する。複数のデバイスに対して同時に充電若しくは給電するか、又は複数デバイスへの給電をシリアル（直列的）に行い、１個又はそれ以上のデバイスが或る期間電力を受取り、その期間後電力送給が他のデバイスに切替わるようにすることができる。種々の実施形態において、複数デバイスは、１個又はそれ以上のソースからの電力を、他の１個又はそれ以上のデバイスと同時に、又は時間を多重化した状態、周波数多重化した状態、空間多重化した状態、指向性多重化した状態、若しくは時間、周波数、空間及び指向性に関する多重化のいずれかの組合せで共有することができる。複数のデバイスは電力を互いに共有し、少なくとも１個のデバイスは、連続的に、間欠的に、周期的に、場合に応じて、又は一時的に無線電力ソースとして動作するよう構成することができる。当業者であれば、本明細書に記載の技術及び用途に適用可能なデバイスに給電及び／又は充電する種々の方法があることは理解できるであろう。
本明細書は、例えば、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、変成器、スイッチ等の個別の回路コンポーネント及び素子、これら素子の回路網、トポロジー、回路等の組合せ、及び物体全体にわたり分布する（又は単に集中するのとは対照的に部分的に分布する）キャパシタンス又はインダクタンスを有する「自己共振」物体のような固有特性を有する物体について言及する。当業者であれば、回路又は回路網内における可変コンポーネントの調整及び制御によりその回路又は回路網の性能を調整し、またそれら調整を、一般的に整調（同調）、調整、整合（マッチング）、補正、等々と記述することができることは理解できるであろう。無線電力伝送システムの動作ポイントを整調又は調整する他の方法を、単独で、又はインダクタ及びキャパシタ、若しくはインダクタ及びキャパシタのバンクのような整調可能なコンポーネントの調整に付加して、使用することができる。当業者であれば、本明細書に詳述する特定トポロジーを種々の他の方法で実現できることは明らかであろう。
他に定義しない限り、本明細書で使用するすべての技術的及び科学的用語は、本発明が属する当業者が一般的に理解するのと同一の意味を有する。本明細書に記載又は参照によって組込まれるものとする刊行物、特許出願、特許及び他の参考文献と矛盾する場合、定義を含めて本明細書が統制する。
上述したいずれかの特徴を、単独又は組合せて本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。本明細書に記載したシステム及び方法の他の特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかであろう。
無線エネルギー伝送構成のシステムブロック図である。 簡単な共振器構造の例示的構造である。 簡単な共振器構造の例示的構造である。 簡単な共振器構造の例示的構造である。 簡単な共振器構造の例示的構造である。 簡単な共振器構造の例示的構造である。 簡単な共振器構造の例示的概略図である。 シングルエンド増幅器を有する無線ソースのブロック図である。 異なる増幅器を有する無線ソースのブロック図である。 感知回路のブロック図である。 感知回路のブロック図である。 無線ソースのブロック図である。 無線ソースのブロック図である。 無線ソースのブロック図である。 増幅器のパラメータにおけるデューティサイクルの効果をプロットして示すグラフである。 スイッチング増幅器を有する無線電力ソースの簡素化回路の回路図である。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 スイッチング増幅器及び無線電力装置を有する無線電力ソースを備える無線エネルギー伝送システムの簡素化した回路の回路図である。 無線電力ソースのパラメータにおける変化による効果をプロットして示すグラフである。 磁性材料のタイル間の不規則間隔に起因するあり得る不均一磁場分布を示す共振器の図である。 磁性材料のブロックとして配列し、磁性材料ブロックにおけるホットスポットを減少することができるタイル構成を有する共振器を示す。 より小さい個別タイルを有する磁性材料のブロックを有する共振器である。 温度管理のために使用した熱伝導材料のストリップを有する共振器である。 温度管理のために使用した熱伝導材料のストリップを有する共振器である。 帯域内通信チャネル及び帯域外通信チャネルを有する無線エネルギー伝送システムのブロック図である。 帯域外通信チャネルを使用するエネルギー伝送チャネルを検証するのに使用することができるステップを示す。 帯域外通信チャネルを使用するエネルギー伝送チャネルを検証するのに使用することができるステップを示す。 無線エネルギー伝送システムにおける電子機器のブロック図である。 無線エネルギー伝送システムにおける電子機器のブロック図である。 整調可能な電子機器を有する無線エネルギー伝送システムのブロック図である。 整調可能な電子機器を有する無線エネルギー伝送システムのブロック図である。 整調可能な電子機器を有する無線エネルギー伝送システムの簡素化した回路図である。 整調可能な電子機器を有する無線エネルギー伝送システムの簡素化した回路図である。 スイッチング素子の詳細な実施例である。 増幅器の動作を示すグラフである。 増幅器の動作を示すグラフである。 増幅器の動作を示すグラフである。 増幅器の動作を示すグラフである。 整調可能な無線エネルギー伝送システムの実施形態のブロック図である。 整調可能な無線エネルギー伝送システムの実施形態の概略図である。 平衡インピーダンス整合化回路を有するソースの実施形態を示す概略図である。
上述したように、本明細書に記載する本発明は結合電磁共振器を使用する無線エネルギー伝送に関する。しかし、このようなエネルギー伝送は、本明細書に記載する電磁共振器及び無線エネルギー伝送システムに限定することなく、より一般的であり、様々な共振器及び共振物体を使用して実現することができる。
当業者であれば理解できるように、共振器ベース電力伝送に対して考慮すべき重要点としては共振器効率及び共振器結合がある。このような問題、例えば、結合モード理論（ＣＭＴ：coupled mode theory）、結合係数及び結合因子、品質係数（Ｑ値とも称される）、並びにインピーダンス整合に関する詳細な議論は、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」と題し、米国特許出願第１２／７８９，６１１号として出願され、２０１０年９月２３日に刊行された米国特許出願公開第２０１０／０２３７７０９号）及び「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR RESONATOR APPLICATION」と題し、米国特許出願第１２／７２２，０５０号として出願され、２０１０年７月２２日に刊行された米国特許出願公開第２０１０／０１８１８４３号においてなされており、これらは全体として参照することによって、あたかも本明細書に全体を記載したかのように組入れられるものとする。
共振器は、少なくとも２つの異なった形式のエネルギーを貯蔵でき、また貯蔵したエネルギーが２つの形式間で振動する共振構体として定義することができる。共振構体は、共振（モード）周波数ｆ、及び共振（モード）場を有する固有振動モードを持っている。角共振周波数ωはω＝２πｆ、共振期間ＴはＴ＝１／ｆ＝２π／ω、共振波長λはλ＝ｃ／ｆとして定義し、ただし、ｃは関連する場の波（例えば、電磁共振器の光）の速度とすることができる。損失メカニズム、結合メカニズム、又は外部エネルギー供給若しくは排出メカニズムがない場合、共振器によって貯蔵されるエネルギー総量Ｗは一定に留まるが、エネルギーの形式は共振器によって供給される２つの形式間で振動し、一方の形式は他方の形式が最少のとき最大となり、その逆も言える。
例えば、共振器は、貯蔵されるエネルギーの２つの形式が磁気エネルギー及び電気エネルギーとなるよう構成することができる。さらに、共振器は、電場によって貯蔵される電気エネルギーが主にその構体内に閉じ込められるとともに、磁場によって貯蔵される磁気エネルギーが主に共振器を包囲する領域にあるよう構成することができる。換言すれば、電気的及び磁気的なエネルギー総量は等しく、しかし、その局在性が異なるだけである。このような構体を使用して、少なくとも２個の構体間のエネルギー交換の仲立ちを、少なくとも２個の共振器における近距離磁気共鳴によって行うことができる。このようなタイプの共振器を「磁気共鳴器」と称することができる。
無線送電システムに使用する共振器の重要パラメータは、エネルギー減衰を特徴付けし、また共振器のエネルギー損失に逆比例する共振器の品質係数、又はＱファクタ、又はＱ値である。Ｑ＝ω・Ｗ／Ｐと定義することができ、ここでＰは定常状態における時間平均電力損失である。すなわち、高いＱ値の共振器は、比較的低い固有損失を有し、比較的長い時間にわたりエネルギーを貯蔵することができる。共振器は固有減衰率２Γでエネルギーを損失するため、Ｑ値は、Ｑ＝ω／２Γで与えられる固有Ｑとも称される。品質係数は、さらに、振動周期Ｔの数値も表し、ｅ−２πの係数で共振器のエネルギーを減衰させる。共振器の品質係数、又は固有品質係数、又はＱ値は、固有損失メカニズムのみに起因するものである。発電機ｇ又は負荷ｌに接続又は結合した共振器のＱ値は、いわゆる「負荷品質係数」又は「負荷Ｑ」と称することができる。エネルギー伝送システムの一部としては意図しない外部物体の存在下における共振器のＱ値は「摂動品質係数」又は「摂動Ｑ」と称することができる。
近距離場における任意の部分を介して結合される共振器同士は互いに相互作用し、またエネルギーを交換することができる。このエネルギー伝送の効率は、共振器同士が同一共振周波数で動作するとき相当向上できる。例えば、限定はしないが、Ｑｓを有するソース側共振器及びＱｄを有するデバイス側共振器を想定する。高Ｑ値無線エネルギー伝送システムは高Ｑ値共振器を利用する。各共振器のＱは高いものとすることができる。共振器のＱの次式で表される幾何平均も高い。
結合係数ｋは、０≦｜ｋ｜≦１の範囲内の数値であり、ソース側及びデバイス側の共振器の共振周波数とは無関係とすることができ、このことはそれら共振器がサブ波長距離に配置されているときである。むしろ、結合係数ｋは、ソース側共振器とデバイス側共振器との間の相対的幾何学的配置関係及び距離によって主に決定することができ、この場合、それら共振器の結合を仲立ちする場の物理的減衰法則を考慮する。次式で表されるＣＭＴに使用する結合係数κは、共振周波数の並びに共振器構体の他の特性に強く作用する。
近距離場共振器を利用する無線エネルギー伝送の用途において、放射による電力損失を減少するよう、共振器のサイズは共振波長よりも相当小さくすることが望ましい。若干の実施形態において、高Ｑ共振器はサブ波長構体とする。若干の電磁的実施形態において、高Ｑ共振器構体は、１００ｋＨｚより高い共振周波数を有するよう設計する。他の実施形態において、共振周波数は１ＧＨｚ未満とする。
例示的実施形態において、これらサブ波長共振器によって遠距離場に放射される電力は、共振器の共振周波数及びシステムの作動周波数を低くすることによって一層減少することができる。他の実施形態において、遠距離場放射の減少を、遠距離場に破壊的に干渉するよう２個又はそれ以上の共振器を配置することによって行う。
無線エネルギー伝送システムにおいて、共振器は、無線エネルギーソース、無線エネルギー捕捉デバイス、リピータ、又はこれらの組合せとして使用することができる。実施形態において、共振器は、エネルギー伝送、エネルギー受取り、又はエネルギー中継の間で交互動作する。無線エネルギー伝送システムにおいて、１個又はそれ以上の磁気共鳴器をエネルギー源に結合し、また付勢し、磁気的振動近距離場を生ずるようにする。磁気的振動近距離場内における他の共鳴器は、これら場を捕捉し、エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを使用して、負荷に給電又は充電し、これにより有用エネルギーの無線伝送を行うことができる。
有用エネルギー交換における「有用」エネルギーは、デバイスを容認可能な割合で給電又は充電するようデバイスに送給しなければならないエネルギー又は電力である。有用エネルギー交換に対応する伝送効率はシステム依存又は用途依存となり得る。例えば、数キロワットの電力を伝送する高出力車両充電用途は、少なくとも８０％の効率にして有用電力量を供給し、伝送システムにおける種々のコンポーネントを大きく加熱することなく、車両バッテリを再充電するに十分なエネルギー交換できるようにすることが必要である。若干の民生電子機器用途において、有用エネルギー交換は、１０％より高い任意のエネルギー伝送効率、又は再充電可能バッテリを長期間にわたる「満タン」状態及び長期間稼働を維持するに容認可能な任意の他の伝送量を有するものとすることができる。埋込医療デバイス用途において、有用エネルギー交換は、患者に害を及ぼさないが、バッテリ寿命を延ばし、又はセンサ、モニタ、若しくはシミュレータを起動させる任意の交換とすることができる。このような用途において、１００ｍＷ又はそれ以下の電力が有用である。分散型感知用途において、マイクロワットの電力伝送が有用であり、伝送効率は１％よりも十分低いものとすることができる。
給電又は再充電用途における無線エネルギー伝送の有用エネルギー交換は、廃棄されるエネルギーレベル、放熱、及び関連する場の強度が許容限界内にあり、またコスト、重量、サイズ等々の関連する要因と適切にバランスの取れたものである限り、効率的、高効率、又は十分な効率を有するものとすることができる。
共振器は、ソース側共振器、デバイス側共振器、第１共振器、第２共振器、リピータ共振器等と称することができる。実施には３個又はそれ以上の共振器を設けることができる。例えば、単独のソース側共振器により複数のデバイス側共振器又は複数デバイスにエネルギーを伝送することができる。エネルギーは、第１デバイスから第２デバイスに伝送し、またつぎに第２デバイスから第３デバイスに伝送する、等々を行うことができる。複数のソースが、単独デバイス側共振器に接続した単独のデバイス若しくは複数デバイスに、又は複数のデバイス側共振器に接続した複数デバイスにエネルギーを伝送することができる。共振器は、ソース、デバイスとして交互に又は同時に作用することができる、及び／又は１つの場所におけるソースから他の場所におけるデバイスに電力を中継するのに使用することができる。仲介電磁共振器を使用し、無線エネルギー伝送システムの距離範囲を拡張する及び／又は集中磁気近距離場の領域を生ずることができる。複数の共振器を互いにデイジーチェーン接続し、拡張した距離及び様々なソース及びデバイスとエネルギー交換することができる。例えば、ソース側共振器は、デバイス側共振器に幾つかのリピータ共振器を介して電力を伝送することができる。ソースからのエネルギーは第１リピータ共振器に伝送し、この第１リピータ共振器は電力を第２リピータ共振器に伝送し、また第２リピータ共振器は第３リピータ共振器に伝送する等々を、最終リピータ共振器がデバイス側共振器にエネルギーを伝送するまで行う。この点に関して、無線エネルギー伝送の距離範囲は、リピータ共振器を追加することによって拡大する及び／又は仕立てることができる。高出力レベルの電力は、複数のソース間で分割し、複数のデバイスに伝送し、また離れた場所で再結合することができる。
共振器は、結合モード理論モデル、回路モデル、電磁場モデル等を使用して設計することができる。共振器は、異なった電力レベルを取扱うよう設計することができる。例示的実施形態において、高パワー共振器は、より低いパワーの共振器よりもより大きな導体、及び高電流又は電圧に関連するコンポーネントを必要とする。
図１は、無線エネルギー伝送システムの例示的構成及び配列の図を示す。無線エネルギー伝送システムは、エネルギー源１０２及び随意的センサ及び制御ユニット１０８に結合した、少なくとも１個のソース側共振器（Ｒ１）１０４（随意的にＲ６，１１２）を有する。エネルギー源は、ソース側共振器１０４を駆動するのに使用する電気エネルギーに変換できる任意なタイプのエネルギーとすることができる。エネルギー源は、バッテリ、太陽電池パネル、電気幹線、風力又は水力タービン、電磁共振器、発電機等とすることができる。磁気共鳴器を駆動するのに使用する電気エネルギーは、共鳴器によって振動磁場に変換する。振動磁場は、随意的にエネルギードレイン１１０に結合したデバイス側共振器（Ｒ２）１０６、（Ｒ３）１１６とすることができる他の共鳴器によって捕捉することができる。振動磁場は、随意的に無線エネルギー伝送領域を拡張又は仕立てるよう構成したリピータ共振器（Ｒ４，Ｒ５）に結合することができる。デバイス側共振器は、ソース側共振器、リピータ共振器及び他のデバイス側共振器の近傍における磁場を捕捉し、エネルギードレインが使用する電気エネルギーに変換することができる。エネルギードレイン１１０は、電気エネルギーを受取るよう構成した、電気的、電子的、機械的又は化学的なデバイス等とすることができる。リピータ共振器は、ソース側共振器、デバイス側共振器及びリピータ共振器の近傍における磁場を捕捉し、また他の共振器にエネルギーを転送することができる。
無線エネルギー伝送システムは、エネルギー源１０２に結合した単独のソース側共振器１０４と、及びエネルギードレイン１１０に結合した単独のデバイス側共振器１０６とを有することができる。実施形態において、無線エネルギー伝送システムは、１個又はそれ以上のエネルギー源に結合した複数のソース側共振器を有し、また１個又はそれ以上のエネルギードレインに結合した複数のデバイス側共振器を有することができる。
実施形態において、エネルギーは、ソース側共振器１０４とデバイス側共振器１０６との間で直接伝送することができる。他の実施形態において、エネルギーは、１個又はそれ以上のソース側共振器１０４，１１２から１個又はそれ以上のデバイス側共振器１０６，１１６に、任意な個数の中間共振器を介して伝送することができ、これら中間共振器は、デバイス側共振器、ソース側共振器、リピータ共振器等になり得る。エネルギーは、トークンリング、メッシュ、アド・ホック等のようなトポロジーの任意な組合せで配列したサブ回路網１１８，１２０を含む共振器回路網又は構成１１４を介して伝送することができる。
実施形態において、無線エネルギー伝送システムは、集中感知及び制御システム１０８を有することができる。実施形態において、共振器、エネルギー源、エネルギードレイン、回路網トポロジーのパラメータ、作動パラメータ等を、制御プロセッサからモニタリング（監視）及び調整し、システムの固有作動パラメータに合致させる。集中制御プロセッサは、システムの個別コンポーネントのパラメータを調整して、全体エネルギー伝送効率を最適化し、伝送される電力量等を最適化することができる。他の実施形態は、ほぼ分散した感知及び制御システムを有するよう設計する。感知及び制御システムは、各共振器又は各共振器グループ、エネルギー源、エネルギードレイン等に組入れることができ、またグループにおける個別コンポーネントのパラメータを調整して、送給される電力を最大化若しくは最小化する、そのグループにおけるエネルギー伝送効率を最大化する等を行うよう構成することができる。
実施形態において、無線エネルギー伝送システムのコンポーネントは、他のコンポーネント、例えば、デバイス、ソース、リピータ、電源、共振器等に対する無線若しくは有線のデータ通信リンクを有するものとし、またデータを送受信し、これらデータを使用して分散又は集中感知及び制御を行うことができるようにする。無線通信チャネルは無線エネルギー伝送チャネルとは別個にする、又は同一とすることができる。一実施形態において、電力交換に使用する共振器は、情報交換にも使用することができる。若干の場合、情報交換は、ソース回路又はデバイス回路におけるコンポーネントを変調し、その変化をポートパラメータ又はモニタリング機器によって感知することにより行うことができる。共振器相互は、例えば、システムにおける他の共振器の反射インピーダンスに影響する、インピーダンスのような共振器のパラメータを整調（同調）、変化、変動、ディザーリングする等により互いに交信することができる。本明細書に記載のシステム及び方法によれば、無線送電システムにおける共振器同士の同時送電及び交信を可能にするか、又は異なる時間的期間中に若しくは無線エネルギー伝送中に使用する同一磁場を用いる異なる周波数で送電及び交信を可能にする。他の実施形態において、無線通信は、ＷｉＦｉ、ブルートゥース、赤外線、ＮＦＣ等のような個別無線通信チャネルにより可能となる。
実施形態において、無線エネルギー伝送システムは複数の共振器を有し、全体システム性能をシステムにおける種々の素子を制御することによって改善できるようにする。例えば、低電力要求量のデバイスは、高電力要求量のデバイスに電力を供給する高電力ソースの共振周波数から離れた共振周波数に整調する。他の実施例において、少ない電力しか必要としないデバイスは、ソースから少ない電力を引き込むよう整流回路を調整する。これらの方法において、低電力及び高電力消費のデバイスは単独の高電力ソースから安全に動作し、また充電することができる。さらに、充電ゾーンにおける複数のデバイスは、先着順サービス型、ベスト・エフォート型、保証電力型等のような様々な消費制御アルゴリズムのうち任意なものに従って、それぞれが利用可能な電力を見つけることができるようにする。電力消費アルゴリズムは、所定のユーザー又はデバイスのタイプに優先権を与えるよう事実上階層的にするか、又はソースにおいて利用可能な電力を均等にシェアすることによって任意のユーザー数を支援できるようにする。電力は、本明細書に記載する多重化技術のうち任意なものによって、シェアすることができる。
実施形態において、電磁共振器は、形状、構体及び構成の組合せを使用して実現又は実装することができる。電磁共振器は、誘導素子、分散型インダクタンス、全体インダクタンスがＬとなるインダクタンスの組合せ、容量素子、分散型キャパシタンス、又は全体容量がＣとなるキャパシタンスの組合せを有することができる。キャパシタンス、インダクタンス及び抵抗を備える電磁共振器を図２Ｆに示す。この共振器は、誘導素子２３８及び容量素子２４０を有する。キャパシタ２４０に貯蔵される電界エネルギーのような初期エネルギーを供給する場合、システムは、キャパシタ放電がエネルギーをインダクタ２３８に貯蔵する磁界エネルギーとなるよう伝送し、つぎにこのエネルギーをキャパシタ２４０に貯蔵する電界エネルギーとして逆伝送するよう振動する。この電磁共振器における固有損失としては、誘導素子及び容量素子における抵抗による損失、及び放射損失があり、これを図２ＦにＲ，２４２で表す。
図２Ａは、例示的磁気共鳴器構体の簡単構造の図を示す。磁気共鳴器は、誘導素子２０２として作用する導体ループと、導体ループの端部における容量素子２０４を有する。電磁共振器のインダクタ２０２及びキャパシタ２０４は、バルク回路素子とするか、又はインダクタンス及びキャパシタンスは、分散させ、かつ導体を構体として形成、整形若しくは位置決めする方法により得られるようにすることができる。
例えば、インダクタ２０２は、図２Ａに示すように、導体を、表面積を包囲する形状に整形することによって実現することができる。個のタイプの共振器は、容量的負荷ループインダクタと称することができる。本明細書において、用語「ループ」又は「コイル」は任意の形状及び寸法の表面を任意の巻回数で包囲する導電構体（ワイヤ、チューブ、ストリップ等）を全体的に示すのに使用する。図２Ａにおいて包囲される表面積は円形であるが、任意の多様な他の形状及びサイズの表面とすることができ、所定のシステム性能仕様が得られるよう設計することができる。実施形態において、インダクタンスは、インダクタ素子、分散インダクタンス、回路網、アレイ、インダクタ及びインダクタンスの直列及び並列接続の組合せ等を使用して実現することができる。インダクタンスは、固定又は可変とすることができ、またインピーダンス整合並びに共振周波数動作条件を変化させるのに使用することができる。
共振器構体に対する所望共振周波数を得るのに必要なキャパシタンスを実現する多様な方法がある。キャパシタプレート２０４は図２Ａに示すように形成しまた利用するか、又はキャパシタンスを分散させ、かつ複数ループ導体の隣接する巻線間に実現することができる。キャパシタンスは、キャパシタ素子、分散キャパシタンス、回路網、アレイ、キャパシタンスの直列及び並列接続の組合せ等を使用して実現することができる。キャパシタンスは、固定又は可変とすることができ、またインピーダンス整合並びに共振周波数動作条件を変化させるのに使用することができる。
磁気共鳴器に使用する誘導素子は１個より多い数のループを有し、また内方、又は外方、又は上方、又は下方、又はこれら方向の若干の組合せにして螺旋状にすることができる。一般的に、磁気共鳴器は、様々な形状、サイズ及び卷回数にすることができ、様々な導電材料により構成することができる。例えば、導体２１０は、リッツワイヤ、リボン、パイプ、導電性インク、塗料、ジェル等から形成したトレース、又は回路板に印刷した単独若しくは複数のトレースとすることができる。基板２０８上の誘導ループを形成するトレースパターンの例示的実施形態を図２Ｂに示す。
実施形態において、誘導素子は、任意のサイズ、形状、厚さ等とした磁性材料であって、種々の透磁性及び磁気損失値を有する材料を使用して形成することができる。これら磁性材料は、中実ブロックとする、又は中空容積を囲むものとする、又は磁性材料の多くの小さいピースからタイル状にする若しくは互いに積層する、又は高導電材料から形成した導電シート若しくはエンクロージャに一体化することができる。導体は磁性材料の周りに巻き付けて磁場を生ずるようにすることができる。これら導体は、１個の、又は１個より多い数の構体軸線の周りに巻き付けることができる。複数導体を磁性材料の周りに巻き付け、また並列又は直列に結合し、又はスイッチを介してカスタマイズした近距離場パターンを形成する及び／又は構体のダイポールモーメントの指向性を持たせるようにすることができる。磁性材料を有する共振器の例を図２Ｃ，２Ｄ，２Ｅに示す。図２Ｄにおいて、共振器は、磁性材料２２２のコアの周りに巻き付けた導体２２４のループを有し、導体２２４のループの軸線に平行な磁気ダイポールモーメント２２８を有する構体を生ずる。共振器は、図２Ｃに示すように、磁性材料２１４の周りに互いに直交する方向に巻き付けた導体２１６，２１２の複数ループを有し、１つより多い方向に指向する磁気ダイポールモーメント２１８，２２０を有する共振器を形成し、これら方向はどのように導体を駆動するのかに基づく。
電磁共振器は、物理的特性によって決定される固有の自然若しくは共振周波数を有する。この共振周波数は、共振器によって貯蔵されるエネルギーが、共振器における電界によって貯蔵されるエネルギーＷＥ（ＷＥ＝ｑ２／２Ｃ、ただしｑはキャパシタＣの電荷）及び磁界によって貯蔵されるエネルギーＷＢ（ＷＢ＝Ｌｉ２／２、ただしｉはインダクタＬを流れる電流）との間で振動する周波数である。このエネルギー交換がなされる周波数は、共振器の固有周波数、自然周波数、又は共振周波数と称され、次式のωで表される。
共振器の共振周波数は、インダクタンスＬ及び／又はキャパシタンスＣを整調することにより変化させることができる。一実施形態において、システムパラメータは、できるだけ最適な動作条件に近似したものに、動的に調整又は整調可能にする。しかし、上述の説明に基づけば、十分効率的なエネルギー交換は、若干のシステムパラメータが可変でなく、コンポーネントが動的調整ができないものであっても実現できる。
実施形態において、共振器は、キャパシタ及び回路素子の回路網に配置した１個より多いキャパシタに結合した誘導素子を有することができる。実施形態において、キャパシタ及び回路素子の結合した回路網を使用して、共振器の１つより多い共振周波数を画定することができる。実施形態において、共振器は１つより多い数の周波数での共振性又は部分的共振性を有することができる。
実施形態において、無線電力ソースは、電源に結合した少なくとも１個の共振コイルとすることができ、この電源は、スイッチング増幅器、例えばＤ級増幅器、又はＥ級増幅器、又はそれらの組合せとすることができる。この場合、共振器コイルは電源に対する有効な電力負荷である。実施形態において、無線電力デバイスは、電力負荷に結合した少なくとも１個の共振器コイルを備え、この電力負荷は、スイッチング増幅器、例えばＤ級増幅器、又はＥ級増幅器、又はそれらの組合せとすることができる。この場合、共振器コイルは電力負荷の有効な電源であり、負荷のインピーダンスは、共振器コイルからの仕事排出速度にも関連する。電源と電力負荷との間における送電効率は、電力ソースの出力インピーダンスがいかに緊密に負荷の入力インピーダンスと整合するかによって影響を受ける。電力ができる限り最大効率で負荷に送給されるのは、負荷の入力インピーダンスが電源の内部インピーダンスの複素共役に等しくなるときである。最大送電効率が得られるよう電源又は電力負荷のインピーダンスを設計することを、「インピーダンス整合（マッチング）」と称することがよくあり、またシステムにおける電力の有効対損失比を最適化するとも称される。インピーダンス整合は、キャパシタ、インダクタ、変成器、スイッチ、抵抗等のような素子の回路網又は素子セットを追加することにより行い、電源と電力負荷との間にインピーダンス整合を形成する。実施形態において、素子の位置どりを機械的に調整及び変化させることを使用してインピーダンス整合を得ることができる。負荷を変化させるため、インピーダンス整合回路網に可変コンポーネントを設け、これら可変コンポーネントを動的に調整して、動的な環境及び動作シナリオであっても、負荷に対向する電源端末におけるインピーダンス及び電源の固有インピーダンスがほぼ互いに複素共役関係に留まるのを確実にする。
実施形態において、インピーダンス整合は、電源の駆動信号におけるデューティサイクル、及び／又は位相、及び／又は周波数を整調することにより、又は電源内における物理的コンポーネント、例えばキャパシタを整調することにより得ることができる。このような整調（同調）機構は有利であり、なぜなら電源と負荷との間におけるインピーダンス整合が、整調可能インピーダンス整合回路網を使用することなく、例えば、より少ない数の整調可能コンポーネントを有する簡素化した整調可能インピーダンス整合回路網で可能となるからである。実施形態において、電源に対する駆動信号におけるデューティサイクル、及び／又は周波数、及び／又は位相を整調することにより、拡大した整調範囲若しくは精度で、より高い電力、電圧及び／又は電流性能で、より迅速な電子的制御で、より少ない外部コンポーネント等々で、動的インピーダンス整合系を生ずることができる。
若干の無線エネルギー伝送システムにおいて、共振器のパラメータ、例えばインダクタが、環境条件によって、例えば周囲の物体、温度、指向性、他の共振器の位置等によって影響を受けることがあり得る。共振器の動作パラメータの変化は、若干のシステムパラメータ、例えば無線エネルギー伝送における電力伝送効率を変化させることがある。例えば、共振器近傍に位置する高導電性材料は、共振器の共振周波数をシフトさせ、他の共振物体からの同調を狂わせる。若干の実施形態において、共振器フィードバック機構を使用して、反応素子（例えば、誘導素子又は容量素子）を変化させることによって共振器の共振周波数を補正する。容認可能な整合条件を得るために、少なくとも若干のシステムパラメータは動的に調整可能又は整調可能にする必要がある。すべてのシステムパラメータを動的に調整可能又は整調可能にして、ほぼ最適な動作条件にすることができる。しかし、十分効率的なエネルギー交換は、すべて又は若干のシステムパラメータが動的に可変でない場合でも実現することができる。若干の実施例において、少なくとも若干のソースは動的に調整されないものとすることができる。若干の実施例において、少なくとも若干の中間共振器は動的に調整されないものとすることができる。若干の実施例において、システムパラメータはいずれも動的に調整されないものとすることができる。
若干の実施形態において、コンポーネントのパラメータにおける変化は、動作環境又は動作ポイントでの相違を受けるときに、優勢的な若しくは逆の道筋若しくは方向に変化をも生ずる特性を有するコンポーネントを選択することにより軽減することができる。実施形態において、温度、電力レベル、周波数等に起因する逆依存性又はパラメータ逆関数を有するキャパシタのようなコンポーネントでシステムを設計することができる。若干の実施形態において、温度関数のようなコンポーネント値を、システムのマイクロコントローラにおける参照テーブルに記憶させ、温度センサからの読みをシステム制御フィードバックループに使用し、温度で誘発されるコンポーネント値変化を補償するよう他のパラメータを調整することができる。
若干の実施形態において、コンポーネントにおけるパラメータ値の変化は、整調可能コンポーネントを有する能動同調回路により補償することができる。コンポーネントの動作環境及び動作ポイントをモニタリングする回路を設計に組込むことができる。モニタリング回路はコンポーネントにおける変化を能動的に補償するに必要な信号を供給する。例えば、温度読取りを使用して、システムのキャパシタンスにおける予想される変化を計算する、又は先に測定したキャパシタンス値を表示し、他のキャパシタに切替える又はキャパシタを整調して温度範囲にわたり所望キャパシタンスを維持することによって、補償できるようにする。実施形態において、波長を切替えるＲＦ増幅器を調整して、システムにおけるコンポーネント値又は負荷変化を補償する。若干の実施形態において、コンポーネントのパラメータ変化は、能動的な冷却、加熱、及び能動的環境調節等により補償することができる。
パラメータ測定回路は、システムにおける電力、電圧、電流及び信号のうち若干を測定又はモニタリングし、またプロセッサ若しくは制御回路は、それら測定値に基づいて若干の設定若しくは動作パラメータを調整することができる。さらに、電圧及び電流信号の大きさ及び位相、システム全体にわたる電力信号の大きさが得られるようにしてシステム性能を測定又はモニタリングできるようにする。本明細書全体にわたり言及する測定信号は、ポートにおけるパラメータ信号、並びに電圧信号、電流信号、電力信号、温度信号等の任意の組合せとすることができる。これらパラメータは、アナログ又はデジタル技術を使用して測定し、またサンプリング及び処理し、多数の既知のアナログ及びデジタル処理技術を使用し、デジタル化又は変換することができる。実施形態において、或る測定量のプリセット値をシステムコントローラ又はメモリ場所にロードし、種々のフィードバック及び制御ループに使用する。実施形態において、測定した、モニタリングした、及び／又はプリセットした信号の任意な組合せを、フィードバック回路又は系に使用して、共振器及び／又はシステムの動作を制御することができる。
調整アルゴリズムを使用して、磁気共鳴器の周波数、Ｑ、及び／又はインピーダンスを調整することができる。このアルゴリズムは、入力としてシステムの所望動作ポイントからのずれの度合いに関連する基準信号を取得し、そのずれに関連してシステムの可変又は整調可能な素子を制御する補正又は制御信号を出力し、システムを所望動作ポイントに戻すことができる。磁気共鳴器の基準信号は、共振器が無線送電システムで電力を交換している間、又は共振器がシステム動作中に回路から切替わる間に取得することができる。システムに対する補正は、デジタル式又はアナログ式等で連続的、又は周期的、又は閾値をまたぐ際に加える若しくは行うことができる。
実施形態において、損失の多い材料及び物体は、無線送電システムの共振器における磁気的及び／又は電気的エネルギーを吸収することによって潜在的効率低下を誘発し得る。それらの影響は、種々の実施形態において、損失の多い材料及び物体の作用を最小化するよう共振器を位置決めすることによって、またその作用を最小化するよう構造的場整形素子（例えば、導電性の構体、プレート及びシート、磁性材料の構体プレート及びシート、並びにそれらの組合せ）を配置することによって軽減することができる。
損失の多い材料の共振器に対する影響を減少する１つの手法としては、高導電性材料、磁性材料、又はこれらの組合せを使用して、損失の多い物体を回避するよう共振器場を整形するものがある。例示的な実施形態において、高導電性材料及び磁性材料の層状化構体により、共振器の電磁場を仕立てる、整形する、導く、再指向化する等を行い、これらは、場を偏向することによって共振器近傍における損失の多い物体を回避するよう行う。図２Ｄは、導体シート２２６の下方に存在する可能性がある損失の多い物体を回避する共振器の場を仕立てるのに使用する磁性材料の下側に導体シート２２６を有する共振器の上方から見た斜視図を示す。良導体の層又はシート２２６は、所定用途に対して最も適切であるように、任意の高導電性材料、例えば銅、銀、アルミニウムを有する構成とする。若干の実施形態において、良導体の層又はシートは、共振器動作周波数における導体表皮厚さよりも厚くする。導体シートは、共振器の物理的範囲を越えるよう、共振器サイズよりも大きくするのが好ましい。
送電される電力量が、活性場に立ち入る人物又は動物の安全性に危険をもたらし得る環境及びシステムでは、安全対策をこのシステムに施す。電力レベルが特別な安全対策を必要とする実施形態において、共振器をパッケージする構体、材料等は、磁気共鳴器における導体ループから離れる離間又は「離隔」ゾーンを生ずるよう設計する。さらなる保護を得るため、高Ｑ共振器及び電源制御回路をエンクロージャ内に配置し、このエンクロージャ内に高電圧又は電流を閉じ込め、共振器及び電気的コンポーネントを天候、湿気、砂、埃、及び他の外部素子から保護し、並びに衝撃、振動、引っ掻き傷、爆発、及び他のタイプの機械的ショックから保護することができる。このようなエンクロージャは、放熱のような様々な要因にも注意を喚起して、電気的コンポーネント及び共振器に対して容認できる動作温度範囲を維持する。実施形態において、エンクロージャは、損失が多くない材料、例えば、複合材、プラスチック、木材、コンクリート等により構成し、またエンクロージャを使用して損失の多い物体から共振器コンポーネントまでの距離を最小にすることができる。金属物体、塩水、オイル等、損失の多い物体又は環境からの最小離間距離により、無線エネルギー伝送効率を改善することができる。実施形態において、「離隔」ゾーンを使用して共振器又は共振器系の摂動Ｑ値を増大することができる。実施形態において、最小離間距離は共振器の動作パラメータをより高い信頼性、またより一定にすることができる。
実施形態において、共振器、共振器に対応する感知及び制御回路は、他の電子的及び制御的なシステム並びにサブシステムに対して種々のレベルで統合化することができる。若干の実施形態において、電源制御回路及びデバイス側共振器は、既存システムに対する最小統合化で完全に個別のモジュール又はエンクロージャとし、電力出力部及び制御診断インタフェースを設ける。若干の実施形態において、デバイスは、エンクロージャ内側のキャビティに共振器及び回路のアセンブリを収容する構成にするか、又はデバイスのハウジング又はエンクロージャ内に組込むことができる。
共振器回路の実施例
図３及び４は、無線エネルギー伝送システムにおける例示的ソースのための、発電、モニタリング、及び制御用のコンポーネントを示す、高位のブロック図を示す。図３は、ハーフブリッジ切替え電力増幅器と、及び関連する測定回路、整調回路及び制御回路のうち若干とを有するソースのブロック図である。図４は、フルブリッジ切替え電力増幅器と、及び関連する測定回路、整調回路及び制御回路のうち若干とを有するソースのブロック図である。
図３に示すハーフブリッジシステムのトポロジーは、制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットを有する。制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットは、マイクロコントローラ、用途特化回路、現場プログラム可能なゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等とすることができる。処理ユニットは、単独デバイスとするか、又はデバイス回路網とすることができる。制御アルゴリズムは処理ユニットの一部で実行される。アルゴリズムは所定用途向けにカスタマイズし、またアナログ及びデジタルの回路及び信号の組合せとすることができる。マスターアルゴリズムは、電圧の信号及びレベル、電流の信号及びレベル、信号位相、デジタルカウントセッティング等を測定及び調整することができる。
システムは、無線通信回路３１２に結合した、随意的なソース／デバイス側、及び／又はソース／他の共振器側の通信コントローラ３３２を有することができる。随意的なソース／デバイス側、及び／又はソース／他の共振器側の通信コントローラ３３２は、マスターアルゴリズムを実行する同一処理ユニットの一部とし、マイクロコントローラ３０２内の一部又は回路とし、無線送電モジュールの外部とし、有線給電又はバッテリ給電の用途に使用される通信コントローラにほぼ類似ではあるが、無線送電を効果的にする又は支援する新たな又は異なる若干の機能性を持たせた通信コントローラとすることができる。
システムは、少なくとも２個のトランジスタゲートドライバ３３４に結合したＰＷＭ発生器３０６を有し、制御アルゴリズムによって制御することができる。２個のトランジスタゲートドライバ３３４は、２個の電力トランジスタ３３６に直接的に又はゲート駆動変成器を介して結合し、これら電力トランジスタ３３６はインピーダンス整合回路網コンポーネント３４２を経てソース共振器コイル３４４を駆動する。電力トランジスタ３３６は、調整可能ＤＣ源３０４に結合してこの調整可能ＤＣ源３０４によって付勢され、また調整可能ＤＣ源３０４は、可変バス電圧Ｖbusによって制御することができる。Ｖbusコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御し、またマイクロコントローラ３０２の一部とする若しくはマイクロコントローラ３０２に集積化する、又は他の集積回路とすることができる。Ｖbusコントローラ３２６は調整可能ＤＣ源３０４の電圧出力を制御し、この電圧出力を使用して共振器コイル３４４に送給する増幅器の電力出力及び電力を制御する。
システムは、信号フィルタリング及びバッファリング回路３１８，３２０を含む感知及び測定回路を有し、信号フィルタリング及びバッファリング回路３１８，３２０は、プロセッサ及び／又はコンバータ、例えばアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３１４，３１６に入力する前に信号の整形、変更、フィルタリング、処理、バッファリング等をすることができる。プロセッサ及びＡＤＣのようなコンバータ３１４，３１６は、マイクロコントローラ３０２に集積化するか、又は処理コア３３０に結合する個別回路とすることができる。測定した信号に基づいて、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、ソース側のインピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタ／バッファリング素子３１８，３２０、コンバータ３１４，３１６、共振器コイル３４４のいずれかの動作を、生成、制御、起動、消滅、制御、調整、又は変更させることができ、またマイクロコントローラ３０２の一部とする若しくはマイクロコントローラ３０２に集積化する、又は別個の回路とすることができる。インピーダンス整合回路網３４２及び共振器コイル３４４は、本明細書に記載したような、電気的制御可能な、可変の、又は整調可能なコンポーネント、例えば、キャパシタ、スイッチ、インダクタ等とすることができ、またこれらコンポーネントは、ソース側インピーダンス整合コントローラ３３８から受信する信号に従って調整されるコンポーネント値又は動作ポイントを有する。コンポーネントは、共振器に対して送受される電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器及び他の任意な結合されるシステムのＱ値等を含む、共振器の動作及び特性を調整するよう整調することができる。共振器は、本明細書に記載するような任意のタイプ及び構体の共振器とすることができ、容量的な負荷ループ共振器、磁性材料を有する平面状共振器、又はそれらの組合せを有するものとすることができる。
図４に示すフルブリッジシステムのトポロジーは、マスター制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットを有する。マスター制御アルゴリズム３２８を実行する処理ユニットは、マイクロコントローラ、用途特化回路、現場プログラム可能なゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等とすることができる。システムは、無線通信回路３１２に結合した、ソース／デバイス側、及び／又はソース／他の共振器側の通信コントローラ３３２を有することができる。ソース／デバイス側、及び／又はソース／他の共振器側の通信コントローラ３３２は、マスターアルゴリズムを実行する同一処理ユニットの一部とし、マイクロコントローラ３０２内の一部又は回路とし、無線送電モジュールの外部とし、有線給電又はバッテリ給電の用途に使用される通信コントローラにほぼ類似ではあるが、無線送電を効果的にする又は支援する新たな又は異なる若干の機能性を持たせた通信コントローラとすることができる。
システムは、少なくとも４個のトランジスタゲートドライバ３３４に結合した少なくとも２個の出力を有するＰＷＭ発生器４１０を有し、このＰＷＭ発生器４１０は制御アルゴリズムによって制御することができる。４個のトランジスタゲートドライバ３３４は、４個の電力トランジスタ３３６に直接的に又はゲート駆動変成器を介して結合し、これら電力トランジスタ３３６はインピーダンス整合回路網コンポーネント３４２を経てソース共振器コイル３４４を駆動する。電力トランジスタ３３６は、調整可能ＤＣ源３０４に結合してこの調整可能ＤＣ源３０４によって付勢され、また調整可能ＤＣ源３０４は、マスター制御アルゴリズムによって制御されるＶbusコントローラ３２６によって制御することができる。Ｖbusコントローラ３２６は調整可能ＤＣ源３０４の電圧出力を制御し、この電圧出力を使用して共振器コイル３４４に送給する増幅器の電力出力及び電力を制御する。
システムは、信号フィルタリング及びバッファリング回路３１８，３２０及びプロセッサ及び／又はコンバータ、例えばアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３１４，３１６に入力する前に信号の整形、変更、フィルタリング、処理、バッファリング等をすることができる差動／シングルエンド変換回路４０２，４０４を含む感知及び測定回路を有する。プロセッサ及びＡＤＣのようなコンバータ３１４，３１６は、マイクロコントローラ３０２に集積化するか、又は処理コア３３０に結合する個別回路とすることができる。測定した信号に基づいて、マスター制御アルゴリズム３２８は、ＰＷＭ発生器４１０、通信コントローラ３３２、Ｖbusコントローラ３２６、ソース側のインピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタ／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、コンバータ３１４，３１６、共振器コイル３４４のいずれかの動作を、生成、制御、起動、消滅、制御、調整、又は変更させることができ、またマイクロコントローラ３０２の一部とする若しくはマイクロコントローラ３０２に集積化する、又は別個の回路とすることができる。
インピーダンス整合回路網３４２及び共振器コイル３４４は、本明細書に記載したような、電気的制御可能な、可変の、又は整調可能なコンポーネント、例えば、キャパシタ、スイッチ、インダクタ等とすることができ、またこれらコンポーネントは、ソース側インピーダンス整合コントローラ３３８から受信する信号に従って調整されるコンポーネント値又は動作ポイントを有する。コンポーネントは、共振器に対して送受される電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器及び他の任意な結合されるシステムのＱ値等を含む、共振器の動作及び特性を調整するよう整調することができる。共振器は、本明細書に記載するような任意のタイプ及び構体の共振器とすることができ、容量的な負荷ループ共振器、磁性材料を有する平面状共振器、又はそれらの組合せを有するものとすることができる。
インピーダンス整合回路網は、固定値コンポーネント、例えばキャパシタ、インダクタ、及び本明細書に記載したコンポーネントの回路網を有することができる。インピーダンス整合回路網部分Ａ，Ｂ，Ｃは、インダクタ、キャパシタ、変成器、及び本明細書に記載したこのようなコンポーネントの直列及び並列の組合せを有するものとすることができる。若干の実施形態において、インピーダンス整合回路網部分Ａ，Ｂ，Ｃは、空の（短絡した）ものとすることができる。若干の実施形態において、部分Ｂは、インダクタ及びキャパシタの直列の組合せとし、部分Ｃは空にすることができる。
フルブリッジのトポロジーは、等価のハーフブリッジ増幅器と同一のＤＣバス電圧を使用して、それよりも高い出力の電力レベルで動作することができる。図３の例示的ハーフブリッジのトポロジーはシングルエンド駆動信号であり、一方図４の例示的フルブリッジのトポロジーはソース側共振器３０８に対して差動駆動を行うことができる。インピーダンス整合トポロジー、並びにコンポーネント及び共振器の構体は、本明細書に記載したように、２つのシステムに対して異なったものとすることができる。
図３及び図４に示す例示的システムは、さらに、ソース側増幅器におけるマイクロコントローラのシャットダウンをトリガする、又は増幅器の動作を変化若しくは中断するのに使用することができる障害検出回路３４０を有することができる。この保護回路は、高速比較器を有し、増幅器の帰還電流、ＤＣ源３０４からの増幅器バス電圧（Ｖbus）、ソース側共振器３０８及び／又は随意的な同調回路板にかかる電圧、又はシステムのコンポーネントにタメージを与える若しくは望ましくない動作条件を生ずるおそれのある、他の電圧若しくは電流信号をモニタリングする。好適な実施形態は、異なる用途に関連する潜在的に望ましくない動作モードに左右され得る。若干の実施形態において、保護回路は実装しない、又は保護回路を装着しないものとすることができる。若干の実施形態において、システム及びコンポーネントの保護を、マスター制御アルゴリズム、並びに他のシステム監視及び制御回路の一部として実装することができる。実施形態において、専用障害検出回路３４０は、マスター制御アルゴリズム３２８に結合した出力（図示せず）を有し、システムシャットダウン、出力電力の減少（例えば、Ｖbusの減少）、ＰＷＭ発生器に対する変化、動作周波数の変化、同調素子に対する変化、又は制御アルゴリズム３２８によって実施される他の任意な合理的なアクションをトリガし、動作ポイントモードを調整し、システム性能を改善し、及び／又は保護を行うことができるようにする。
本明細書に記載したように、無線電力伝送システムにおけるソースは、ソース側共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２における入力インピーダンスの測定値を、マスター制御アルゴリズムの一部とすることができるシステム制御ループの誤差信号又は制御信号として使用できる。例示的実施形態において、３つのパラメータの任意な組合せにおける変動を使用して無線電力ソースを整調し、環境条件の変化、結合の変化、デバイスの電力要求の変化、モジュール、回路、コンポーネント又はサブシステムにおける性能変化、システムにおけるソース、デバイス、又はリピータの個数増減、ユーザー由来の変化等を補償できるようにする。例示的実施形態において、増幅器のデューティサイクルに対する変化、可変のキャパシタ及びインダクタのような可変電気的コンポーネントのコンポーネント値に対する変化、ＤＣバス電圧に対する変化を使用して無線ソースの動作ポイント又は動作範囲を変化させ、若干のシステム動作値を改善することができる。異なる用途に使用する制御アルゴリズムの仕様は、所望システム性能及び挙動に依存する。
本明細書に記載したような、また図３及び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を使用して実施することができ、またこれらＡＤＣはマイクロコントローラチップに集積化するか、又は別個の回路の一部とすることができる。ソース側共振器のインピーダンス整合回路網及び／又はソース側共振器への入力部における電圧信号及び電流信号を同時にサンプリングすることにより、電流信号及び電圧信号の位相及び大きさの情報を得ることができ、また既知の信号処理技術を使用して処理し、複素インピーダンスパラメータを生ずることができる。若干の実施形態において、電圧信号のみ、又は電流信号のみをモニタリングするだけでも十分とする。
本明細書に記載するように、インピーダンス測定は、幾つかの他の既知であるサンプリング方法よりも比較的簡単な直接サンプリング方法を使用することができる。実施形態において、測定した電圧信号及び電流信号は、フィルタ／バッファリング回路によって調節、フィルタ処理、及び拡縮してからＡＤＣに入力することができる。実施形態において、フィルタ／バッファリング回路は調整可能にし、種々の信号レベル及び周波数で動作できるようにし、フィルタ形状及び幅のような回路パラメータは、マスター制御アルゴリズム等による制御信号に応答して手動で、電子式に、又は自動的に調整できるようにする。フィルタ／バッファリング回路の例示的な実施形態を図３，４及び５に示す。
図５は、フィルタ／バッファリング回路に使用でき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、システム設計に使用するＡＤＣタイプに基づいて、シングルエンド増幅器のトポロジーは、差分信号フォーマット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の必要性を排除することによって、システム、サブシステム、モジュール及び／又はコンポーネントの性能を特徴付けるのに使用するアナログ信号測定の複雑さを減少化することができる。他の実施形態においては、差分信号フォーマットが好ましい場合がある。図５に示す実施例は例示的なものであり、本明細書に記載する機能性を実施できる唯一の方法と解釈すべきではない。むしろ、アナログ信号経路は、異なる入力要件を有するコンポーネントを使用でき、また従って、異なる信号経路アーキテクチャにすることができると理解されたい。
シングルエンド増幅器及び差動増幅器双方のトポロジーにおいて、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、キャパシタ３２４に加わる電圧を測定することによって、又は何らかのタイプの電流センサを介して、測定することができる。図３に示す例示的なシングルエンド増幅器のトポロジーに対しては、電流はインピーダンス整合回路網３４２からの接地帰還経路で感知することができる。図４に示す例示的な差動電力増幅器に対しては、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、キャパシタ３２４の端子間に差動増幅器３４２を使用して、又は何らかのタイプの電流センサを介して、測定することができる。図４の差動的なトポロジーにおいて、キャパシタ３２４は、ソース側電力増幅器の負の出力端子で重複化することができる。
双方のトポロジーにおいて、ソース側共振器及びインピーダンス整合回路網に入力される電圧及び電流を表すシングルエンド信号を取得した後、信号は部分５０２でフィルタ処理されて信号波形の所望部分を得ることができる。実施形態において、信号はフィルタ処理されて信号の基本成分を得ることができる。実施形態において、行うフィルタ処理タイプ、例えば、ローパス、バンドパス、ノッチ等、並びに使用されるフィルタトポロジー、例えば、楕円型、チェビシェフ型、バターワース型等は、システムの特別な要件に依存する。若干の実施形態において、フィルタ処理は不要とすることができる。
電圧信号及び電流信号は随意的な増幅器５０４によって増幅することができる。随意的な増幅器５０４の利得は固定又は可変とすることができる。増幅器の利得は、制御信号等に応答して、手動で、電子的に、又は自動的に制御することができる。増幅器の利得は、マスター制御アルゴリズム等による制御アルゴリズムに応答してフィードバックループ内で調整することができる。実施形態において、増幅器に必要とされる性能仕様は、信号強度及び所望測定精度に依存し、また異なる用途シナリオ及び制御アルゴリズムに対してそれぞれ異なるものとすることができる。
測定したアナログ信号は、部分５０６で信号に付加されるＤＣオフセットを有し、これは若干のシステムに対して０〜３.３ＶとすることができるＡＤＣの入力電圧範囲に信号が入るようにするのに必要である。若干のシステムにおいて、この段階は、使用する特別なＡＤＣの仕様に応じて、不要とすることができる。
上述したように、電力発生器と電力負荷との間における送電効率は、電力発生器の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスに対していかに密に整合するかによって影響を受ける。図６Ａに示す例示的システムにおいて、電力が負荷に対して最大限の効率で送給されるのは、負荷６０４の入力インピーダンスが、電力発生器又は電力増幅器６０２の内部インピーダンスの複素共役に等しいときである。高い及び／又は最大の送電効率を得るよう電力発生器又は負荷のインピーダンスを設計することは、「インピーダンス整合」をとると称することができる。インピーダンス整合は、キャパシタ、抵抗、インダクタ、変成器、スイッチ等の適切な回路網又はセット組を挿入し、図６Ｂに示すように、電力発生器６０２と電力負荷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うことができる。他の実施形態において、素子の位置決めにおける機械的な調整及び変化を使用してインピーダンス整合を達成することができる。負荷の変動に関して上述したように、インピーダンス整合回路網６０６は、動的に調整する可変コンポーネントを有することができ、これにより、動的な環境及び動作シナリオであっても、負荷に対向する電力発生器端子におけるインピーダンス及び電力発生器の固有インピーダンスが互いにほぼ複素共役に確実に留まるようにすることができる。実施形態において、動的インピーダンス整合は、電力発生器のデューティサイクル、及び／又は位相、及び／又は駆動信号の周波数を整調することによって、又は電力発生器内の物理的コンポーネント、例えば図６Ｃに示すようなキャパシタを整調することによって、達成することができる。このような整調機構は、整調可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、例えば、より少ない整調可能コンポーネントを有するような簡素化した整調可能インピーダンス整合回路網６０６により、電力発生器６０８と負荷との間におけるインピーダンス整合をとることができるため、有利である。実施形態において、電力発生器に対する駆動信号におけるデューティサイクル、及び／又は周波数、及び／又は位相を整調することにより、拡大した整調範囲若しくは精度で、より高い電力、電圧及び／又は電流性能で、より迅速な電子的制御で、より少ない外部コンポーネント等々で、動的インピーダンス整合系を生ずることができる。インピーダンス整合方法、アーキテクチャ、アルゴリズム、プロトコル、回路、測定、制御等は、以下に説明するように、電力発生器が高Ｑ磁気共鳴器を駆動するシステムにおいて、また本明細書に記載する高Ｑ無線送電システムにおいて有用である。無線電力伝送システムにおいて、電力発生器は、しばしばソース側共振器と称される共振器を駆動する電力増幅器とすることができ、ソース側共振器は電力増幅器に対する負荷となり得る。無線電力用途において、電力増幅器と共振器負荷との間のインピーダンス整合を制御して、電力増幅器から共振器への電力送給の効率を制御することが好ましい。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におけるデューティサイクル、及び／又は位相、及び／又は周波数を整調又は調整することによって達成される、又は部分的に達成される。
スイッチング増幅器の効率
スイッチング増幅器、例えば、Ｄ，Ｅ，Ｆ級の増幅器等、又はこれらの任意な組合せは、増幅器のスイッチング素子にほとんど電力消失がないときに、電力を負荷に最大効率で送給する。この動作条件は、最も臨界的（すなわち、スイッチング損失に最も至りそうな）状況であるスイッチング動作が、スイッチング素子に加わる電圧及びスイッチング素子を流れる電流の双方がほぼゼロのときに行われるよう、システム設計することによって達成することができる。これら条件は、それぞれゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Zero Voltage Switching）及びゼロ電流スイッチング（ＺＶＳ：Zero Current Switching）条件と称される。増幅器がＺＶＳ及び／又はＺＣＳで動作するとき、スイッチング素子に加わる電圧又はスイッチング素子を流れる電流のいずれかがゼロになり、したがって、スイッチ内での電力消失をなくすことができる。スイッチング増幅器は、ＤＣ（又は極めて低い周波数のＡＣ）電力を固有周波数又は周波数レンジでＡＣ電力に変換するため、負荷の前にフィルタを導入し、スイッチング過程で発生するおそれがある望ましくない高調波が付加に達して消失するのを防止できるようにする。実施形態において、スイッチング増幅器は、品質係数（例えば、Ｑ＞５）を有し、同時ＺＶＳ及びＺＣＳに至る特定インピーダンスＺ* ０がＺ* ０＝Ｒ０＋ｊＸ０である共振器負荷に接続するとき、最大の電力変換効率で動作するよう設計することができる。Ｚ０＝Ｒ０−ｊＸ０は増幅器の固有インピーダンスと定義し、最大送電効率を得ることは共振器負荷を増幅器の固有インピーダンスにインピーダンス整合させることと等しい。
スイッチング増幅器において、スイッチング素子のスイッチング周波数ｆｓｗｉｔｃｈ、すなわち、ｆｓｗｉｔｃｈ＝ω／２π及びスイッチング素子のオン切替え状態の持続時間におけるデューティサイクル（duty cycle）ｄｃは、増幅器におけるすべてのスイッチング素子に対して同一とすることができる。本明細書において、用語Ｄ級は、Ｄ級及びＤＥ級の増幅器双方、すなわちｄｃ≦５０％であるスイッチング増幅器を意味する。
増幅器の固有インピーダンス値は、スイッチング素子の動作周波数、増幅器のトポロジー、及び切替えシーケンスに依存する。若干の実施形態においてスイッチング増幅器はハーフブリッジのトポロジーとし、また若干の実施形態においてはフルブリッジのトポロジーとすることができる。若干の実施形態においてスイッチング増幅器はＤ級とし、また若干の実施形態においてはＥ級とすることができる。上述の実施形態のいずれかにおいて、ブリッジの素子が対称的であると仮定すると、スイッチング増幅器の固有インピーダンスは次式の形式を有する。すなわち、
Ｒ０＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘ０＝ＦＸ（ｄｃ）／ωＣａ (1)
ここで、ｄｃはスイッチング素子のオンスイッチ状態におけるデューティサイクル、関数ＦＲ（ｄｃ）及びＦＸ（ｄｃ）は図７にプロットし（Ｄ級及びＥ級双方について）、ωはスイッチング素子が切替わる周波数であり、Ｃａ＝ｎａＣｓｗｉｔｃであり、ただしＣｓｗｉｔｃはトランジスタ出力キャパシタンス及びスイッチに並列に配置したあり得る外部キャパシタ双方を含む各スイッチに加わるキャパシタンスとするとともに、フルブリッジに対してｎａ＝１であり、ハーフブリッジに対してはｎａ＝２である。Ｄ級に対しては、以下の分析的表現で記述することができる。すなわち、
ＦＲ（ｄｃ）＝ｓｉｎ２ｕ／π，ＦＸ（ｄｃ）＝（ｕ−ｓｉｎｕ・ｃｏｓｕ）／π (2)
ここで、ｕ＝π（１−２・ｄｃ）であり、Ｄ級増幅器の固有インピーダンスレベルは、デューティサイクルｄｃが５０％に向かって増大するにつれて減少することを示す。Ｄ級増幅器のｄｃ＝５０％である動作に対して、ＺＶＳ及びＺＣＳは、スイッチング素子がほとんど出力キャパシタンスを持たず（Ｃａ＝０）、また負荷がまさに共振する（Ｘ０＝０）ときのみ得ることができ、Ｒ０は任意とすることができる。
インピーダンス整合回路網
用途において、駆動される負荷は、この負荷を接続する外部駆動回路の固有インピーダンスとは極めて異なるインピーダンスを有することができる。さらに、駆動される負荷は共振回路網ではないものとすることができる。インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ：Impedance Matching Network）は、図６Ｂに示すような負荷の手前に接続し得る回路網とし、ＩＭＮ回路及び負荷よりなる回路網の入力部に現れるインピーダンスを調節できるようにする。ＩＭＮ回路は、一般的に駆動周波数に近似する共振を生ずることによってこの調節を行うことができる。このようなＩＭＮ回路は、電力発生器から負荷までの送電効率を最大化するのに必要なすべての（スイッチング増幅器に対する共振及びインピーダンス整合からＺＶＳ及びＺＣＳにいたるまでの）条件を成し遂げるので、実施形態において、ＩＭＮ回路を駆動回路と負荷との間に使用することができる。
図６Ｂに示す構成に対しては、インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）回路及び負荷よりなる回路網（ＩＭＮ＋負荷として以下に記す）の入力インピーダンスは、以下のように表す。すなわち、 Ｚｌ＝Ｒｌ（ω）＋ｊＸｌ（ω）
固有インピーダンスＺ０＝Ｒ０−ｊＸ０を有する外部回路に対するこの回路網のインピーダンス整合条件は、Ｒｌ（ω）＝Ｒ０，Ｘｌ（ω）＝Ｘ０である。
可変負荷の整調可能インピーダンス整合方法
負荷が可変の実施形態において、負荷と外部駆動回路、例えば線形増幅器又はスイッチング電力増幅器との間におけるインピーダンス整合は、可変負荷を外部回路（図６Ｂ参照）の固定固有インピーダンスＺ０に整合させるよう調整することができるＩＭＮ回路における調整可能／整調可能コンポーネントを使用することによって達成することができる。インピーダンスの実数部及び虚数部双方を整合させるため、ＩＭＮ回路内に２個の整調可能／可変の素子を必要とする。
実施形態において、負荷（例えば、共振器コイル）は、インピーダンスＲ＋ｊωＬで誘導性を示し、ＩＭＮ回路における２個の整調可能素子は、２個の整調可能キャパシタンス回路網、又は１個の整調可能キャパシタンス回路網及び１個の整調可能インダクタンス、又は１個の整調可能キャパシタンス回路網及び１個の整調可能相互インダクタンス回路網とすることができる。
負荷が可変の実施形態において、負荷と駆動回路、例えば線形増幅器又はスイッチング電力増幅器との間におけるインピーダンス整合は、整調可能でもあるＩＭＮ回路（図６Ｃ参照）及び負荷よりなる回路網（ＩＭＮ＋負荷）の（負荷変動に起因して）変動する入力インピーダンスに対して増幅器の固有インピーダンスＺ０を整合させるよう調整し得る増幅器回路における調整可能／整調可能なコンポーネント又はパラメータを使用して達成することができる。インピーダンスの実数部及び虚数部双方を整合させるため、増幅器及びＩＭＮ回路内に全体として２個の整調可能／可変の素子又はパラメータを必要とする。本明細書に記載するインピーダンス整合方法によれば、ＩＭＮ回路における整調可能／可変素子の必要個数を減少することができる、又はＩＭＮ回路において整調可能／可変素子の必要性を完全に排除することさえもできる。若干の実施形態において、電力増幅器に１個の整調可能素子、ＩＭＮ回路に１個の整調可能素子を使用することができる。若干の実施形態において、電力増幅器に２個の整調可能素子、ＩＭＮ回路に整調可能素子がないものを使用することができる。
実施形態において、電力増幅器における整調可能素子又はパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオード等に加える駆動信号の周波数、大きさ、位相、波形、デューティサイクル等とすることができる。
実施形態において、整調可能固有インピーダンスを有する電力増幅器は、Ｄ，Ｅ，Ｆ級、又はそれらの組合せの整調可能スイッチング増幅器とすることができる。式及(1)び(2)を組合せると、この回路網のインピーダンス整合条件は次式となる。すなわち、
Ｒｌ（ω）＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘｌ（ω）＝ＦＸ（ｄｃ）／ωＣａ (3)
整調可能スイッチング増幅器の若干の実施形態において、１個の整調可能素子はキャパシタンスＣａとすることができ、このキャパシタンスＣａはスイッチング素子に並列に配置した外部キャパシタを整調することによって同調させることができる。
整調可能スイッチング増幅器の若干の実施形態において、１個の整調可能素子は増幅器のスイッチング素子におけるオンスイッチ状態のデューティサイクルｄｃとすることができる。パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によるデューティサイクルｄｃの調整を増幅器に使用して、出力電力制御を行ってきた。本明細書において、ＰＷＭは、インピーダンス整合を達成する、すなわち、式(3)を満足するのにも、したがって、増幅効率を最大化するのにも使用することができる。
整調可能スイッチング増幅器の若干の実施形態において、１個の整調可能素子はスイッチング周波数とすることができ、このスイッチング周波数は、ＩＭＮ＋負荷回路網の駆動周波数でもあり、ＩＭＮ＋負荷回路網の共振周波数にほぼ近似するよう設計することができる。スイッチング周波数の整調により、増幅器の固有インピーダンス及びＩＭＮ＋負荷回路網のインピーダンスを変化させることができる。増幅器スイッチング周波数は、１個又はそれ以上のパラメータとともに適切に整調し、これにより式(3)を満足することができる。
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及び／又は駆動周波数を整調することの利点は、これらパラメータは電子的に迅速に広いレンジにわたり整調できる点にある。これに対して、例えば、大きな電圧を保持し、また十分大きな整調可能レンジ及び品質係数を有する整調可能キャパシタは、高価であり、動作が緩慢であり、必要とされるコンポーネント仕様に利用できない。
変動負荷の整調可能インピーダンス整合方法の実施例
Ｄ級電力増幅器８０２、インピーダンス整合回路網８０４及び誘導負荷８０６の回路レベル構造を表す簡単な回路図を図８に示す。この図は、電源８１０、スイッチング素子８０８及びキャパシタを含むスイッチング増幅器８０４を有するシステムの基本コンポーネントを示す。インピーダンス整合回路網はインダクタ及びキャパシタを有し、負荷８０６はインダクタ及び抵抗としてモデル化した。
本発明による整調手法の例示的実施形態は、図８に示すように、スイッチング周波数ｆで動作し、ＩＭＮにより低損失誘導素子Ｒ＋ｊωＬを駆動するハーフブリッジＤ級増幅器を有する。
若干の実施形態において、Ｌ′は整調可能とし、Ｌ′はインダクタにおける可変タッピングポイントによって、又は整調可能キャパシタをインダクタに直列又は並列に接続することによって整調可能とする。若干の実施形態において、Ｃａは整調可能とする。ハーフブリッジのトポロジーに対して、Ｃａは一方又は双方のいずれかのキャパシタＣｓｗｉｔｃを、増幅器動作のこれらキャパシタの並列和としてのみ変化させることによって整調することができる。フルブリッジのトポロジーに対して、Ｃａは１個、２個、３個又はすべてのキャパシタＣｓｗｉｔｃを、増幅器動作のこれらキャパシタの組合せ（ブリッジの２個のハーフに関連する２つの並列和の直列和）としてのみ変化させることによって整調することができる。
整調可能インピーダンス整合の若干の実施形態において、ＩＭＮの２個のコンポーネントを整調可能とする。若干の実施形態において、Ｌ′及びＣ２を整調することができる。つぎに、図９に、誘導素子の変動するＲ及びＬの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能コンポーネントの値、並びにｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃａ＝６４０ｐＦ及びＣ１＝１０ｎＦにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。ＩＭＮは常に増幅器の固定固有インピーダンスに調整するので、誘導素子が変動するとき、出力電力は常に一定である。
整調可能インピーダンス整合の若干の実施形態において、スイッチング増幅器における素子も整調可能とすることができる。若干の実施形態において、キャパシタンスＣａとともにＩＭＮキャパシタＣ２を整調することができる。つぎに、図１０は、誘導素子の変動するＲ及びＬの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能コンポーネントの値、並びにｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦ及びωＬ′＝１０００Ωにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。図１０からは、主にＬにおける変動に応答してＣ２を整調することが必要であり、またＲの増加に従って出力電力が減少することが推察される。
整調可能インピーダンス整合の若干の実施形態において、デューティサイクルｄｃとともにＩＭＮキャパシタＣ２を整調することができる。つぎに、図１１は、誘導素子の変動するＲ及びＬの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能パラメータの値、並びにｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ及びωＬ′＝１０００Ωにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。図１１からは、主にＬにおける変動に応答してＣ２を整調することが必要であり、またＲの増加に従って出力電力が減少することが推察される。
整調可能インピーダンス整合の若干の実施形態において、キャパシタンスＣａとともにＩＭＮインダクタＬ′を整調することができる。つぎに、図１１Ａは、誘導素子の変動するＲの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能コンポーネントの値、並びにｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦ及びＣ２＝７.５ｎＦにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。図１１Ａからは、Ｒの増加に従って出力電力が減少することが推察される。
整調可能インピーダンス整合の若干の実施形態において、デューティサイクルｄｃとともにＩＭＮインダクタＬ′を整調することができる。つぎに、図１１Ｂは、誘導素子の変動するＲの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能パラメータの値、並びに誘導素子の変動するＲの関数として、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ及びＣ２＝７.５ｎＦにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。図１１Ｂからは、Ｒの増加に従って出力電力が減少することが推察される。
整調可能インピーダンス整合の若干の実施形態において、スイッチング増幅器における素子のみ整調可能とし、ＩＭＮには整調可能素子を持たないようにすることができる。若干の実施形態において、デューティサイクルｄｃとともにキャパシタンスＣａを整調することができる。つぎに、図１１Ｃは、誘導素子の変動するＲの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能パラメータの値、並びにｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７.５ｎＦ及びωＬ′＝１０００Ωにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。図１１Ｃからは、出力電力はＲの非単調関数であることが推察される。これら実施形態によれば、Ｌ（及びひいては、共振周波数）の変動が穏やかであるとき、動的インピーダンス整合を達成することができる。
若干の実施形態において、ＩＭＮ内に固定素子を有し、また上述したようにＬが大きく変動するときの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）である駆動周波数を変動させ、これにより共振器の共振周波数の変動を生ぜしめることによって達成することができる。２つの可変パラメータとして、スイッチング周波数及びスイッチのデューティサイクルｄｃを使用して、Ｒ及びＬが変動するときに何ら可変コンポーネントを必要とすることなく完全なインピーダンス整合を達成することができる。図１２は、誘導素子の変動するＲ及びＬの関数としてインピーダンス整合を達成するのに必要な２個の整調可能パラメータの値、並びにＣａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７.５ｎＦ及びＬ′＝６３７μＨにおける増幅器の出力電力（所定ＤＣバス電圧における）の関連変動を示す。図１２からは、上述したように、主にＬにおける変動に応答して周波数ｆを整調することが必要であることが推察される。
無線送電システムの整調インピーダンス整合
無線電力伝送用途において、低損失誘導素子は、１個以上のデバイス側共振器又は他の共振器、例えばリピータ共振器に結合されるソース側共振器のコイルとすることができる。誘導素子のインピーダンスＲ＋ｊωＬは、ソース側共振器のコイルで他の共振器の反射インピーダンスを含む場合がある。誘導素子のＲ及びＬの変動は、ソース側共振器及び／又は他の共振器の近傍における外部摂動に起因して、又はコンポーネントの熱的ドリフトに起因して生ずる場合がある。誘導素子のＲ及びＬの変動は、さらに、無線送電システムの通常の使用中に、デバイス側及び他の共振器のソース側共振器に対する相対運動によって生ずる場合がある。これらデバイス側及び他の共振器のソース側共振器に対する相対運動、又は他のソース側共振器の相対運動若しくは相対位置は、デバイスのソースに対する結合の変動（ひいては反射インピーダンスの変動）を生ずることがあり得る。さらに、誘導素子のＲ及びＬの変動は、無線送電システムの通常の使用中に、他の結合した共振器内における変化、例えば、負荷の電力引込みにおける変化に起因して生ずることがあり得る。これまで記載した方法及び実施形態のすべてをこのケースに適用することができ、これによりこの誘導素子を駆動する外部回路に対する、この誘導素子の動的インピーダンス整合を達成できる。
無線送電システムのこの動的インピーダンス整合を説明するため、抵抗負荷を駆動するデバイス側共振器のデバイス側コイルに誘導的に結合される、低損失ソース側コイルを含むソース側共振器を考慮する。
若干の実施形態において、動的インピーダンス整合はソース側回路で行うことができる。若干の実施形態において、動的インピーダンス整合はデバイス側でも行うことができる。完全なインピーダンス整合（ソース側及びデバイス側装置双方での整合）が得られるとき、ソース側誘導素子の実効抵抗（すなわち、ソース側コイルの抵抗Ｒｓ＋デバイス側からの反射インピーダンス）Ｒは次式で表される。
（同様に、デバイス側誘導素子の実効抵抗は次式で表される。
ここで、Ｒｄはデバイス側コイルの抵抗である。）動きに起因するコイル間における相互インダクタンスの動的変動Ｕｓｄは、次式で表される。
したがって、ソース側及びデバイス側双方を動的に同調させるとき、相互インダクタンスの変動はソース側から見るとソース側誘導素子抵抗Ｒにおける変動として見られる。このタイプの変動においては、共振器の共振周波数は、Ｌが変化しないので大きくは変化しないことに留意されたい。したがって、動的インピーダンス整合に関して提示したすべての方法及び実施例を無線送電システムのソース側回路に使用することができる。
抵抗Ｒは、ソース側コイルと、デバイス側コイルのソース側コイルへの反射インピーダンスとの双方を表すので、図９〜１２において増大するＵに起因してＲが増加するにつれて、関連する無線送電効率は上昇する。若干の実施形態において、ほぼ一定の電力がデバイス回路によって駆動される負荷で必要とされる。デバイスの送電される電力レベルを一定にするため、Ｕの増加につれてソース側回路の必要出力電力を減少させる必要がある。動的インピーダンス整合を若干の増幅器パラメータの整調によって達成する場合、これに応じて増幅器の出力電力が変動する。若干の実施形態において、Ｒとともに単調に減少していく出力電力の自動的変動が好ましく、これにより一定のデバイス側電力要求に合致する。出力電力レベルが電力発生器のＤＣ駆動電圧を調整することによって達成される実施形態において、Ｒに対して出力電力を単調に減少させるような整調可能パラメータのインピーダンス整合セットを使用することは、一定電力をデバイスにおける電力負荷で、単にＤＣ駆動電圧の穏やかな調整のみで維持できることを意味する。出力電力レベルを調整する「ノブ」を、デューティサイクルｄｃ、又はインピーダンス整合回路網内におけるスイッチング増幅器若しくはコンポーネントの位相とする実施形態において、Ｒに対して出力電力を単調に減少させるような整調可能パラメータのインピーダンス整合セットを使用することは、一定電力をデバイスにおける電力負荷で、単にこの電力「ノブ」における穏やかな調整のみで維持できることを意味する。
図９〜１２の実施例において、Ｒｓ＝０.１９Ωである場合、Ｒ＝０.２〜２Ωの範囲はほぼＵｓｄ＝０.３〜１０.５の範囲に相当する。これら値に関して、図１４に、ソース及びデバイス双方に動的にインピーダンス整合がとれたとき、負荷に一定電力レベルを維持するのに必要な出力電力（ＤＣ電圧の２乗に正規化した）を破線で示す。実線と破線との類似した動向は、なぜ１組の整調可能パラメータセットがこのような出力電力変動に好ましい化を説明するものである。
若干の実施形態において、動的インピーダンス整合をソース側回路で達成するが、デバイス側回路ではインピーダンス整合を行わない、又は部分的にしか行わない。ソース側コイルとデバイス側コイルとの間における相互インダクタンスが変動するにつれ、デバイス側からソース側への反射インピーダンス変動は、ソース側誘導素子の実効抵抗Ｒ及び実効インダクタンスＬ双方の変動を生ずる。これまで動的インピーダンス整合について述べた方法を無線送電システムの整調可能ソース側回路に適用可能であり、また使用できる。
例として、図１４に関する回路を考慮し、この場合、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｒｓ＝０.１９Ω、Ｌｓ＝１００μＨ、Ｃ１ｓ＝１０ｎＦ、ωＬ′ｓ＝１０００Ω、Ｒｄ＝０.３Ω、Ｌｄ＝４０μＨ、Ｃ１ｄ＝８７.５ｎＦ、Ｃ２ｄ＝１３ｎＦ、ωＬ′ｄ＝４００Ω及びＺｌ＝５０Ωとし、ここでｓ及びｄはそれぞれソース側及びデバイス側の共振器を示し、このシステムはＵｓｄ＝３で整合するものとして考慮する。整調可能でないデバイスがソースに対して相対移動してソースとデバイスとの間における相互インダクタンスが変化するときに、スイッチング増幅器のデューティサイクルｄｃ及びキャパシタＣ２ｓの整調を使用して、ソースを動的にインピーダンス整合させる。図１４において、増幅器のＤＣ電圧につき出力電力とともに整調可能パラメータの必要値を示す。破線は、やはり負荷における電力が一定値になるのに必要とされる出力電力を示す。
若干の実施形態において、やはりソース側駆動回路における駆動周波数ｆの整調を使用して、ソースと１個以上のデバイスとの間における無線送電システムのソース側で動的インピーダンス整合をとる。上述したように、本発明方法は、ソース側インダクタンスＬｓ及びひいてはソース側共振周波数における変動があるときでさえも、ソース側における完全な動的インピーダンス整合が可能となる。ソース側からデバイス側への効率的送電のためには、デバイス側共振周波数を、整合する駆動ソース側の共振周波数の変動に追従するよう整調しなければならない。ソース側又はデバイス側のいずれかの共振器における共振周波数に変動があるとき、デバイス側キャパシタンス（図１３の実施形態におけるＣ１ｄ又はＣ２ｄ）の整調が必要である。実際、複数ソース及び複数デバイスを有する無線電力伝送システムにおいて、駆動周波数を整調することは、１つのソース−対象物間共振周波数のみ同調させる必要性を軽減し、しかし、残りの対象物すべてが駆動周波数に整合するようそれら対象物の共振周波数を同調させる機構（例えば、整調可能キャパシタンス）を必要とする
共振器の熱管理
無線エネルギー伝送システムにおいて、無線伝送プロセス中のエネルギー損失の若干部分は熱として消失される。エネルギーは共振器コンポーネント自体で消失する。例えば、高Ｑ値の導体及びコンポーネントであっても若干の損失又は抵抗があり、これら導体及びコンポーネントは電気信号及び／又は電磁場がそれらを流れるとき発熱する。エネルギーは材料及び共振器周りの物体内で消失する。例えば、共振器を包囲する又は共振器近傍における不完全導体又は誘電体内で消失する渦電流は、それら物体を加熱する。それら物体の材料特性に影響することの他に、この熱は、伝導、放射、又は対流プロセスにより共振器コンポーネントに伝達される。これら加熱効果はいずれも共振器のＱ値、インピーダンス、周波数等、したがって、無線エネルギー伝送システムの性能に影響を与えるおそれがある。
磁性材料のブロック又はコアを有する共振器において、熱は、ヒステリシス損失及び誘導される渦電流から生ずる抵抗損失に起因して磁性材料内で発生し得る。双方の損失作用は材料内の磁束密度に依存し、双方ともに大量の熱を発生し、とくに、磁束密度又は渦電流が集中又は局在化する領域に発生する。磁束密度の他に、振動する磁場の周波数、磁性材料組成及び損失、及び磁性材料の周囲温度若しくは作動温度がすべて、ヒステリシス損失及び抵抗損失がどのように材料を加熱するかに影響を与える。
実施形態において、例えば、材料タイプ、ブロック寸法等の磁性材料の特性、及び磁場パラメータは、特定の作動電力レベル及び環境にとって磁性材料の発熱を最小化するよう選択する。若干の実施形態において、磁性材料のブロックにおける変化、クラック、又は欠陥は、無線送電用途における磁性材料の損失及び発熱を増大させるおそれがある。
欠陥を有する磁性ブロック、又は磁性材料のより小さいサイズのタイル若しくはピースをより大きなユニットに配列して構成した磁性ブロックに関しては、ブロックにおける損失は、不均一であり、また磁性材料の不均一領域、又は隣接するタイル若しくはピース間の比較的狭いギャップがある領域に集中する。例えば、材料の磁性ブロックに不規則なギャップが存在する場合、材料を通過する種々の磁束の実効リラクタンス（磁気抵抗）は実質的に不規則となり、また磁場も磁気リラクタンスが最低になるブロック部分により集中することになる。若干のケースにおいて、実効リラクタンスが最低になるのは、タイル若しくはピース間のギャップが最も狭くなる箇所、又は欠陥の密度が最も低い箇所となる。磁性材料は磁場をガイドするため、磁束密度はブロックにわたりほとんど均等ではなく、比較的低いリラクタンスを生ずる領域に集中する。磁性材料のブロック内における磁場の不規則集中は、材料内に不均一な損失及び熱消失を生ずるので、望ましくはない。
例えば、図１５に示すような、磁性材料の個別の２個のタイル１５０２，１５０４で構成した磁性材料ブロックの周りを包囲する導体１５０６を備え、この導体１５０６の軸線に直交する継ぎ目１５０８を形成するようタイルを接合した、磁気共鳴器を考慮する。磁性材料のタイル１５０２，１５０４間の継ぎ目１５０８における不均一ギャップは、共鳴器内における磁場１５１２を強制的に磁性材料が交差するサブ領域１５１０に集中させることになる。磁場は最小リラクタンス経路に追従するので、２個の磁性材料ピース間のエアギャップ（空隙）を含む経路は、磁性材料ピースが接触する、又はより小さいエアギャップを有するポイントにおいて磁性材料の幅を横切る経路よりも相当高いリラクタンス経路を生ずる。したがって、磁束密度は優先的に磁性材料の比較的小さい断面領域を流れ、その小さい領域１５１０に高い磁束集中を生ずる。
重要な多くの磁性材料において、より不均一な磁束密度分布はより高い全体損失を招く。更に、より不均一な磁束分布は材料の磁気飽和を生じ、磁束が集中する領域に発熱局在化を生ずる。局在化した発熱は磁性材料の特性を変化させ、場合によっては損失を増大させる。例えば、若干の材料の関連動作形態において、ヒステリシス損失及び抵抗損失は温度とともに増加する。材料加熱は材料損失を増大させ、より一層の発熱を生じ、補正的な措置をとらないと、材料温度は上昇し続け、また熱暴走でさえも起こすことになる。場合によっては、温度は１００゜Ｃ以上に達し、磁性材料の特性及び無線電力伝送の性能を劣化させるおそれがある。場合によっては、磁性材料が損傷するか、又は周囲の電子コンポーネント、パッケージ及び／又はエンクロージャが過剰な熱によってタメージを受ける。
実施形態において、磁性材料ブロックのタイル又はピース間の変動又は不規則性は、タイル又はピースの端縁に機械加工、研磨、研削等を加えることによって最小化し、磁性材料のタイル間を密にフィットさせ、磁性材料ブロックの断面全体にわたりより相当均一なリラクタンスを生ずるようにする。実施形態において、磁性材料ブロックは、タイル間に圧迫力を生じて、確実にタイル相互をギャップなく押し合わせる手段を必要とする。実施形態において、接着剤をタイル間に使用して緊密接触状態を維持するのを確実にする。
実施形態において、磁性材料の隣接タイルの不規則間隔を、磁性材料の隣接タイル間に意図的ギャップを付加することによって減少する。実施形態において、意図的ギャップは、スペーサとして使用し、磁性材料のタイル又はピース間に均等で規則的な分離状態を確保することができる。可撓性材料の意図的ギャップもタイル移動又は振動に起因する間隔不揃いを減少することができる。実施形態において、磁性材料の隣接タイルにおける端縁に、電気的絶縁体を当接、どぶ付け、被覆等で付着させ、渦電流がブロックの減少した断面領域を流れるのを防止し、したがって、材料に渦電流損失を少なくする。実施形態において、セパレータを共振器パッケージに組込む。このスペーサは１ｍｍ以下の間隔を生ずることができる。
実施形態において、タイル間のスペーサの機械的特性は、機械的作用、例えば、本質的効果（例えば、磁気歪み、熱膨張等）並びに外的衝撃及び振動に起因するタイルの寸法及び／又は形状の変化に対する全体構体の公差を改善するよう選択する。例えば、スペーサは、個別タイルの膨張及び／又は収縮を許容する所望の機械的弾力性を有するものとし、また機械的振動を受けるときタイルに加わる応力を減らし、したがって、磁性材料の外観におけるクラック及び他の欠陥を生ずるのを減らすのに役立てる。
実施形態において、磁性材料ブロックを有する個別のタイルを、共振器のダイポールモーメントに直交する継ぎ目又はギャップの数を減らすよう配列することが好ましい。実施形態において、共振器を有する導体のループが形成する軸線に直交するタイル間のギャップを最小化するよう磁性材料のタイルを配列及び向き決めすることが好ましい。
例えば、図１６に示す共振器構体を考慮する。この共振器は、３×２のアレイに配列した６個の個別タイル１６０２を有する磁性材料ブロックの周りに巻き付けた導体１６０４を備える。このタイル配列では、磁性材料ブロックを一方向に横切る２つのタイル継ぎ目１６０６，１６０８を生じ、これに直交する方向に磁性材料ブロックを横切る１つのみのタイル継ぎ目１６１０を生ずる。実施形態において、磁性材料ブロック周りの導体ワイヤ１６０４の巻き付けは、共振器のダイポールモーメントが最も少ない数のタイル継ぎ目に直交するように行うのが好ましい。本発明者らは、共振器のダイポールモーメントに平行な継ぎ目及びギャップ１６０６，１６０８の周りに誘導される発熱が比較的少ないことを観測した。共振器のダイポールモーメントに直交して走る継ぎ目及びギャップは、臨界継ぎ目又は臨界継ぎ目領域とも称される。しかし、渦電流損失を減少するためには、依然として共振器のダイポールモーメントに平行に走るギャップ（例えば、１６０６，１６０８）を電気的に絶縁するのが望ましい。このような平行ギャップによって分かれているタイル間の不均一な接触は、渦電流を狭い接触ポイントに流れさせ、このようなポイントで大きな損失を生ぜしめる。
実施形態において、間隔の不揃いは、臨界継ぎ目領域を適切に冷却することによって許容され、磁性材料が発熱するときの局所的材料特性劣化を防止することができる。臨界温度未満に磁性材料の温度を維持することは、相当高い温度によって生ずる熱暴走を防止することができる。臨界継ぎ目領域の適切な冷却によれば、無線エネルギー伝送性能は、タイル間の不規則間隔、クラック、又はギャップに起因する付加的損失及び発熱作用にも係わらず、満足できるものとなり得る。
磁性材料の過剰な局在発熱を防止する共振器構体の有効的放熱（ヒートシンキング）には、幾つかの難関がある。ヒートシンク及び熱伝導に一般的に使用される金属材料は、共振器による無線エネルギー伝送に使用される磁場に接触し、またそのシステムの性能に影響を与える。金属材料の位置、サイズ、向き及び使用法は、これら放熱材料の存在で共振器の摂動Ｑ値を過剰に低下させないよう設計すべきである。さらに、磁性材料、例えばフェライトの比較的低い熱伝導性に起因してヒートシンクと磁性材料との間における比較的大きな接触領域には適切な冷却を行う必要があり、この冷却は、磁気共鳴器に近接して、損失の多い材料を大量に配置することを必要とする。
実施形態において、共振器の適切な冷却は、熱伝導材料を戦略的に配置して無線エネルギー伝送性能に対する作用が最少となるように行うことで達成することができる。実施形態において、熱伝導剤のストリップを、導体ワイヤのループ間に、また磁性材料ブロックとの熱接触するように配置することができる。
熱伝導材料のストリップを有する共振器の例示的実施形態を図１７に示す。図１７Ａは、熱伝導ストリップがなく、ギャップ又は継ぎ目を形成する磁性材料の小さいタイルを有する磁性材料ブロックを備える共振器構体を示す。熱伝導材料のストリップ１７０８を、図１７Ｂ及び１７Ｃに示すように、導体１７０２のループ間に、また磁性材料ブロック１７０４に熱接触するよう配置する。共振器のパラメータに対するストリップの作用を最小限にするため、若干の実施形態において、導体のループに平行に、又は共振器のダイポールモーメントに直交するようストリップを配列するのが好ましい。熱伝導体のストリップはタイル間の継ぎ目又はギャップをできるだけ多くカバーし、とくに、共振器のダイポールモーメントに直交するタイル間継ぎ目をできるだけ多くカバーするよう配置することができる。
実施形態において、熱伝導材料としては、銅、アルミニウム、真鍮、熱エポキシ、ペースト、パッド等があり、少なくとも共振器の磁性材料の熱伝導性に等しい（若干の市販されているフェライト材料に関しては〜５Ｗ／（Ｋ−ｍ）の）熱伝導性を有するものとすることができる。熱伝導材料が導電性でもある実施形態において、材料は、共振器の磁性材料又は導体ループとの短絡及び直接の電気的接触を防止するため、電気絶縁体の層又はコーティングを必要とする。
実施形態において、熱伝導材料のストリップを使用して、共振器構体から、安全に熱エネルギーを消失させることができる構体又は媒体に熱を導くことができる。実施形態において、熱伝導材料のストリップを、この熱伝導材料のストリップ上方に配置した大きなプレートのようなヒートシンクに連結し、このヒートシンクにより熱エネルギーを、受動的又は強制的な対流、放射、又は伝導により外部環境に放出することができる。実施形態において、システムには、共振器構体の外部又は内部に配置し、熱エネルギーを熱伝導ストリップから放出できる能動的冷却システムを任意の個数設け、また液体冷却システム、強制送気システム等を設けることができる。例えば、熱伝導ストリップは中空とするか、又は磁性材料を冷却するようポンプ送給若しくは強制通過される冷却剤のためのチャネルを設けることができる。実施形態において、良導電体（例えば、銅、銀、アルミニウム等）で形成した電磁場デフレクタをヒートシンク装置の一部として２重化することができる。熱的かつ電気的伝導性のストリップを磁性材料と電磁場デフレクタとの間における空間に付加することにより、この空間における電磁場は一般的に電磁場デフレクタの存在によって抑制されるため、摂動Ｑ値に対する限界効果を有する。このような伝導性ストリップは、磁性材料及び電磁場デフレクタの双方に熱的に連結し、異なるストリップ間における温度分布を均一にすることができる。
実施形態において、熱伝導性ストリップは互いに間隔を空けて配置し、少なくとも１個の導体ループを磁性材料の周りに巻き付けることができるようにする。実施形態において、熱伝導性材料のストリップは、磁性材料のギャップ又は継ぎ目にのみ位置決めすることができる。他の実施形態において、ストリップはその長さのほぼ全体にわたり磁性材料に接触するよう位置決めすることができる。他の実施形態において、ストリップは磁性材料内の磁束密度に合致するよう分布させることができる。共振器の通常動作下で磁束密度がより高くなる磁性材料領域は、熱伝導性ストリップとの接触密度がより高くなるようにすることができる。例えば、図１７Ａに示す実施形態において、磁性材料における最大磁束密度は、磁性材料ブロックの中心付近で観測され、より低い磁束密度は共振器のダイポールモーメントの方向におけるブロック端部付近で観測される。
熱伝導性ストリップの使用がどのようにして磁性材料における全体温度並びに潜在的のホットスポットにおける温度を低下させるのに役立つかを示すため、図１７Ｃに示したのと同様な共振器構体の有限要素シミュレーションを行った。この構体は、２３５ｋＨｚの周波数で動作し、３０ｃｍ×３０ｃｍ×５ｍｍ寸法のＥＰＣＯＳ Ｎ９５によるブロックで構成し、各ピーク電流が４０Ａとなる１０卷回数のリッツワイヤ（構体の対称平面から２５ｍｍ、４０ｍｍ、５５ｍｍ、９０ｍｍ、及び１０５ｍｍの位置に対称的に配置した）によって励起し、また３個のアルミニウム（合金６０６３）製の９１.４４ｃｍ×２２.８６ｃｍ×３０.４８ｃｍ（３×３／４×１′）矩形中空のチューブ（３．１７５ｍｍ［１／８″］壁厚）であって、中心軸線が構体の対称平面から−７５ｍｍ、０ｍｍ、及び＋７５ｍｍの位置に配置したチューブによって５０ｃｍ×５０ｃｍ×４ｍｍ電磁場デフレクタに熱的に連結することによってシミュレーションした。電磁場デフレクタ及び中空チューブに起因する摂動Ｑ値は、（中空チューブがない同一構体における１７０１０と比較して）１４００であることが見られた。シールド及びチューブ内で消失する電力は３５.６ｗであると計算されるとともに、磁性材料内で消失される電力は５８.３Ｗであった。構体が空気対流、放射及び２４゜Ｃの外気温によって冷却されると仮定すると、構体における最大温度は（中空チューブ間のほぼ中間における磁性材料のポイントで）８５゜Ｃであり、中空チューブに接触する磁性材料部分の温度は約６８゜Ｃであった。比較すると、熱伝導性中空チューブがない同一共振器は、４０Ｗピークの同一励起電流に対して磁性材料内で６２.０Ｗが消失し、磁性材料における最大温度は１１１゜Ｃであった。
熱伝導性ストリップの利点は、チューブに良好に熱接触する磁性材料部分に欠陥を生じたとしても依然としてよりはっきりとする。長さ１０ｃｍ、磁性材料の中心で０.５ｍｍ幅でダイポールモーメントに直交するよう指向する空隙（エアギャップ）は、磁性材料で消失する電力を６９.９Ｗまで増加させる（ギャップ近傍に多く集中する上述した無欠陥例に対して１１.６Ｗが付加される）が、伝導性チューブは磁性材料の最大温度は、１１゜Ｃ〜９６゜Ｃの比較的穏やかな上昇のみである。これに対し、伝導性チューブのない同一欠陥は、欠陥近傍で最大温度が１６１゜Ｃになる。対流及び放射以外の冷却法、例えば、伝導性チューブ本体を大きな熱質量に熱的に接続する、又は能動的に伝導性チューブ本体を冷却することは、この共振器を同一電流レベルでより低い動作温度にすることができる。
実施形態において、熱伝導材料のストリップは、磁性材料に不規則なギャップを生ぜしめるクラックができる可能性が最も高い領域に配置することができる。このような領域は材料における応力及び歪みが高い領域、又は共振器のパッケージからの支援又は保護を受けにくい領域である。戦略的に配置した熱伝導性ストリップは、磁性材料にクラック又は不規則ギャップができるとき、磁性材料の温度を臨界温度未満に維持する。臨界温度は、磁性材料のキュリー温度として、又は共振器特性が所望性能パラメータを越えると低下する任意の温度として定義することができる。
実施形態において、ヒートシンク構体は磁性材料の機械的支持を行うことができる。実施形態において、ヒートシンク構体は所望量の機械的弾力性を有するよう設計することができ（例えば、構体の異なる素子を熱的に接続する適当な機械的特性を有するエポキシ、熱的パッド等を使用して）、素子の固有寸法変化（熱膨張、磁気歪み等に起因する）、並びに外的衝撃及び振動に対するより大きい許容量を共振器に与え、クラック及び他の欠陥の形成を防止することができる。
共振器が磁性材料の周りに巻き付けた直交する巻線を有する実施形態において、伝導性材料のストリップは、２個の互いに直交する隣接ループセットによって囲まれる領域内で磁性材料に熱接触するよう仕立てることができる。実施形態において、ストリップは、直交巻線のうち少なくとも一方の導体に嵌合する適切な窪みを設け、少なくとも１つのポイントで磁性材料に熱接触するようにすることができる。実施形態において、磁性材料は、隣接するループ間に配置する多数の熱伝導性ブロックに熱接触状態にすることができる。これら熱伝導性ブロックは良熱伝導体によって互いに熱接触させる及び／又はヒートシンクさせることができる。
本明細書全体にわたり使用した、用語「熱伝導材料ストリップ」は例示的な材料断面形状例を示したが、当業者には本発明の精神から逸脱することなく、任意の形状及び輪郭で代用できることは理解できるであろう。矩形、長円形、細条形、ドット形、細長形状等もすべて本発明の精神の範囲内である。
無線エネルギー伝送システムにおける通信
無線エネルギー伝送システムは、エネルギーが指定共振器間で確実に伝送されていることを検証するステップが必要である。例えば、無線エネルギー伝送システムにおいて、ソース側共振器、デバイス側共振器及びリピータ共振器は、エネルギー交換をするために互いに物理的接触させる必要はなく、これら共振器は、システムにおける共振器のサイズ及び個数に基づいて、センチメートル又はメートル単位の距離で互いに離間させることができる。若干の実施形態において、複数の共振器は電力を送受する位置をとり得るが、これら共振器のうち単に２個又は若干のみが指定共振器となる。
無線エネルギー伝送システムにおける共振器間の情報通信は共振器を指定するのに使用することができる。共振器間の情報通信は、帯域内若しくは帯域外通信、又は通信チャネルを使用して実施できる。電力交換に使用される磁気共鳴器の少なくとも若干部分は、情報交換にも使用でき、情報交換のキャリヤ周波数は電力交換に使用される共振周波数に近似し、これを我々は帯域内通信と称する。磁気共鳴器間における任意な他タイプの通信を帯域外通信と称する。帯域外通信チャネルは、エネルギー伝送共振器及び磁場から離れたアンテナ及び信号プロトコルを使用する。帯域外通信チャネルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、ＮＦＣ（登録商標）技術等を使用する又はこれら技術に基づくものとすることができる。
共振器間通信を使用して、無線エネルギー伝送を調和させ、無線エネルギー伝送システムのパラメータを調整し、利用可能な電力ソースとデバイスとを識別及び認証し、効率、電力送給等を最適化し、エネルギー優先先、使用等を追跡及び支払い請求し、システム性能、バッテリ条件、通信手段の調子、外部物体（異物とも称される）等をモニタリングする。エネルギー伝送する共振器の指定及び検証方法は、帯域内通信チャネルを使用するときと、帯域外通信チャネルを使用するときとで異なり、なぜなら帯域外技術を使用して通信信号を交換する距離は、電力信号を交換する距離をはるかに凌駕するからである。さらに、帯域外通信信号の帯域幅は、帯域内通信信号におけるよりも大きい。通信レンジ及び能力におけるこの相違は無線エネルギー伝送システムの協調動作に影響し得る。例えば、帯域外通信を使用してアドレス指定される共振器の数は極めて多く、また通信用共振器は効率的にエネルギーを交換し得る距離から一層離れている場合がある。
若干の実施形態において、交信及び通信は帯域内通信チャネルを使用して行い、また信号はエネルギー伝送に使用される場で変調する。他の実施形態において、帯域内通信はエネルギー伝送とほぼ同一の周波数スペクトルを使用するが、通信は実質的にエネルギーを伝送しない間に生ずるものとする。帯域内通信チャネルのみを使用することは、個別又は複数の検証ステップに問題がある場合に好ましく、なぜなら通信レンジは電力交換と同一レンジに限定されるから、又は情報は電力信号自体の変調として到達するからである。しかし、若干の実施形態において、個別の帯域外通信チャネルが一層望ましい。例えば、帯域外通信チャネルは実装するのに費用がかからず、またより高いデータ転送速度を支援する。帯域外通信チャネルはより長い長距離通信を支援し、共振器発見及び電力システムマッピングを可能にする。帯域外通信チャネルは、電力伝送が行われているか否かに無関係に動作し、また電力伝送を中断することなく生ずる。
無線エネルギー伝送システムの例示的実施形態を図１８に示す。この例示的実施形態は、それぞれが帯域外通信モジュール１８０４，１８１８を有する２個のデバイス側共振器１８０２，１８１６と、それぞれが帯域外通信モジュール１８０８，１８１２を有する２個のソース側共振器１８０６，１８１０とを有する。このシステムは帯域外通信チャネルを使用してエネルギー伝送を調整し、また協調動作させる。通信チャネルを使用して近傍の共振器を発見又は見つけ出し、電力伝送を開始し、また動作パラメータ、例えば個別共振器の電力出力、インピーダンス、周波数等の調整を通信することができる。
若干の実施形態において、デバイス側共振器は、１個のソース側共振器と不適正に通信し、他のソース側共振器からエネルギーを受取ることがあり得る。例えば、デバイス側共振器１８０２が、ソースからの電力を要求する帯域外通信信号を送信したと仮定する。ソース側共振器１８１０がデバイス側共振器１８０２に応答して電力供給を開始することができる。デバイス側共振器１８１６も、ソースからの電力を要求する帯域外通信信号を送信し、ソース側共振器１８０６がデバイス側共振器１８１６に応答して電力供給を開始しと仮定する。デバイス側共振器１８０２がソース側共振器１８０６に近接していることに起因して、デバイス側共振器１８０２はソース側共振器１８０６からその電力の若干又は大部分を受取ることが可能である。デバイス側共振器１８０２が受取る電力レベルが高すぎる場合、デバイス側共振器１８０２は、デバイス側共振器１８０２に送電しているソース側共振器１８１０に電力を減少するよう帯域外通信信号を送信することができる。しかし、デバイス側共振器１８０２は、依然として多すぎる電力を受取り続け、なぜならソース側共振器１８０６から受取り、ソース側共振器１８０６に対して制御信号の通信を行わないからである。
したがって、エネルギー伝送チャネル及び通信チャネルを分離することは、無線エネルギー伝送システムにおける性能、制御、安全性、確実性、信頼性等の問題を引き起こす。実施形態において、無線エネルギー伝送システムにおける共振器にとって、電力交換し合う若干の又はすべての共振器を識別／指定することが必要である。当業者ならば理解できるように、図１８に示す実施例は単なる一例であり、明示的又は黙示的なエネルギー伝送検証ステップから恩恵を受ける無線送電システムには多くの形態及び構成がある。
実施形態において、潜在的能力、制御、安全性、確実性、信頼性等の問題は、共振器ペアによって使用されるエネルギー伝送チャネル及び通信チャネルが、同一ペアの共振器に関連するものであることを保証する付加的検証ステップを設けることによって回避することができる。
実施形態において、検証ステップは、無線エネルギー伝送チャネルを介しての付加的な情報交換又は信号伝達ステップを有する。エネルギー伝送チャネル若しくはエネルギー伝送チャネルの場を使用する通信又は情報交換を有する検証ステップは、帯域外通信チャネルがエネルギー交換するのと同一の２個の共振器間で情報交換していることを検証するのに使用する。
帯域外通信チャネルを有する実施形態において、検証ステップは黙示的又は明示的なものとすることができる。若干の実施形態において、検証は黙示的とする。実施形態において、エネルギー伝送チャネルは、エネルギー伝送チャネルの挙動をモニタリングし、また帯域外情報交換に応答しての期待される挙動又はパラメータと比較することによって黙示的に検証することができる。例えば、帯域外通信を確立した後、デバイスは無線ソースに対して送電している電力量を増加するよう要求することができる。同時に、無線エネルギー伝送チャネル及び共振器のパラメータをモニタリングすることができる。デバイス側での送給電力の観測された増加量を使用して、帯域外通信チャネル及びエネルギー伝送チャネルが指定された共振器に対して適正にリンクされていることを推察する。
実施形態において、黙示的検証ステップは、無線エネルギー伝送のパラメータ、又は無線エネルギー伝送に使用される共振器及びコンポーネントのパラメータをモニタリングするステップを含む。実施形態において、共振器、共振器の駆動回路等の電流、電圧、インピーダンス、周波数、効率、温度をモニタリングし、また帯域外通信交換の結果としての期待値、動向及び変化等と比較することができる。
実施形態において、共振器は、測定パラメータ及び期待値、動向及び／又はこれらパラメータにおける変化のテーブルを通信交換のシーケンスとして記憶することができる。共振器は、通信履歴及び観測されたパラメータ変化を記憶し、これらを使用してエネルギー伝送チャネルを検証することができる。若干のケースにおいて、通信交換に起因する１つの予期しないパラメータ変化は、帯域外チャネルが不適正にペアリングされたと決定するに十分な確実性を持たない。若干の実施形態において、パラメータ変化の履歴を、幾つかの又は多くの通信交換にわたりスキャン又はモニタリングして、検証を行うようにすることができる。
帯域外通信を用いて無線エネルギー伝送システムにおけるエネルギー伝送チャネルを黙示的に検証するのに使用できる一連のステップを示すアルゴリズムの例を図１９Ａに示す。第１ステップ１９０２において、ソースとデバイスとの間における帯域外通信チャネルを確立する。つぎのステップ１９０４において、ソース及びデバイスが、無線エネルギー伝送のパラメータ又は無線エネルギー伝送に使用するコンポーネントのパラメータを調整することに関する情報を交換することができる。帯域外通信チャネルにおける情報交換は、エネルギー伝送を制御及び調整するシステムの通常動作に使用される通常交換とすることができる。若干のシステムにおいて、帯域外通信チャネルは暗号化して、傍受、なりすまし等を防止する。つぎのステップ１９０６において、ソース及びデバイス、又はソース、又はデバイスは、無線エネルギー伝送のパラメータにおけるいかなる変化又はエネルギー伝送に用いるコンポーネントのパラメータにおけるいかなる変化をもモニタリングし、追跡し続けることができる。追跡した変化を、任意の帯域外通信交換のシーケンスとしてパラメータに対して期待される変化と比較することができる。パラメータにおける１つ又はそれ以上の観測された変化がパラメータにおける期待される変化に対応しないとき、失敗であると検証することができる。
無線エネルギー伝送システムの若干の実施形態において、検証は明示的なものとすることができる。実施形態において、ソース又はデバイスは、無線エネルギー伝送のパラメータ、又は無線エネルギー伝送に使用される共振器のパラメータに対して、修正、ディザリング、変調等を行い、検証可能な信号をソース又はデバイスにエネルギー伝送チャネルを介して通信又は供給することができる。明示的な検証は、明示的検証目的のための無線エネルギー伝送の若干のパラメータ、又はエネルギー伝送に使用される共振器及びコンポーネントのパラメータに対して、変更、修正、変調等を加えることを含み、またエネルギー伝送を最適化、整調又は調整することには関連しない。
他の無線エネルギー共振器又はコンポーネントとの交信又は通信目的のための無線エネルギー伝送の若干のパラメータ、又はエネルギー伝送に使用される共振器及びコンポーネントのパラメータに対する、変更、修正、変調等は、帯域内通信と称することもできる。実施形態において、帯域内通信チャネルは、無線エネルギー伝送共振器及びコンポーネントの一部として実装することができる。情報は、共振器のパラメータを変化させて１つの共振器から他の共振器に送信することができる。インダクタンス、インピーダンス、抵抗等のパラメータを共振器毎にディザリング又は変化させることができる。これら変化は、信号伝達する共振器の周囲における他の共振器のインピーダンス、抵抗、又はインダクタンスに影響を及ぼす。これら変化自体は、共振器における電圧、電流等の対応するディザとして現れ、これらディザを検出し、またメッセージに復号することができる。実施形態において、帯域内通信は、エネルギー伝送に使用される磁場の電力レベル、大きさ、位相、指向性、周波数等を、修正、変更、変調することを含む。
一実施形態において、明示的帯域内検証は、帯域外通信チャネルが確立した後に行うことができる。帯域外通信チャネルを使用して、ソース及びデバイスは、電力伝送能力及び帯域内信号伝達能力に関する情報を交換することができる。つぎに、ソースとデバイスとの間における無線エネルギー伝送を開始することができる。ソース及びデバイスは、他のソース又はデバイスに対して、帯域内通信チャネルを使用しての、帯域外通信チャネルとエネルギー伝送チャネルとの間の接続を検証する信号を要求又は尋問する。帯域外通信チャネルで確率された同意の信号伝達が帯域内通信チャネルで観測されるとき、チャネルは検証される。
実施形態において、エネルギー交換プロトコルの特定又は所定時点、例えば、エネルギー伝送開始時にのみ、検証を行うことができる。他の実施形態において、明示的検証ステップは、無線エネルギー伝送システムの通常動作中に周期的に行うことができる。検証ステップは、無線電力伝送の効率又は特性が変化するときトリガされ、これにより物理的指向性が変化したことを知らせる信号伝達をする。実施形態において、通信コントローラは、エネルギー伝送特性の履歴を保持し、また特性における変化が観測されたとき、共振器を使用しての信号伝達を含む伝送の検証を開始する。エネルギー伝送特性の変化は、共振器、又は共振器及び電力及び制御回路のコンポーネントにおける、エネルギー伝送効率、インピーダンス、電圧、電流等の変化として観測される。
当業者であれば、メッセージを送信できる信号伝達及び通信チャネルは、任意な数の暗号化、認証及びセキュリティアルゴリズムで安全を担保できることを理解するであろう。実施形態において、帯域外通信を暗号化し、また安全を担保された通信チャネルを使用して、帯域内チャネルを使用する検証のランダムシーケンスを送信することができる。実施形態において、任意な既知のセキュリティ及び暗号化プロトコル及びアルゴリズムによって、帯域内通信を、暗号化、ランダム化、又は安全担保することができる。セキュリティ及び暗号化アルゴリズムを使用して、共振器間の認証及び共存性検証を行うことができ、また認可及び認証のために公開鍵基盤（ＰＫＩ：public key infrastructure）及び二次的通信チャネルを使用することができる。
ソースとデバイスとの間におけるエネルギー伝送システムの実施形態において、デバイスは、所望の又は想定されたソースからエネルギーを確実に受取るようエネルギー伝送チャネルを検証することができる。ソースは、所望の又は想定されたデバイスにエネルギーを確実に伝送するようエネルギー伝送チャネルを検証することができる。若干の実施形態において、この検証は双方向とし、ソース及びデバイスは双方ともに、ワンステップ又は１回のプロトコル運用でそれらのエネルギー伝送チャネルを検証することができる。実施形態において、２個より多い数の共振器が存在するものとし、またリピータ共振器が存在するものとする。多数の共振器を有する実施形態において、通信及び制御は、１つ、又は少ない数の共振器に集中化する、又はネットワークにおける多くの、大部分の若しくはすべての共振器に分散することができる。実施形態において、通信及び／又は制御は、他の無線エネルギー伝送コンポーネントに結合した１個以上の半導体チップ又はマイクロコントローラによって行うことができる。
帯域外通信を使用して無線エネルギー伝送システムにおけるエネルギー伝送チャネルを明示的に検証するのに使用する一連のステップを示すアルゴリズムの例を図１９Ｂに示す。第１ステップ１９０８において、ソースとデバイスとの間に帯域外通信チャネルを確立する。つぎのステップ１９１０において、ソース及びデバイスは、無線エネルギー伝送チャネルを介して送信される信号伝達プロトコル、方法、計画等に協調動作又は同意することができる。傍受を防止し、またセキュリティ確保のために、帯域外通信チャネルは暗号化し、またソース及びデバイスは、任意な数の既知暗号化認証プロトコルに従うものとすることができる。暗号化プロトコルで有効化されるシステムにおいて、検証コードは、尋問応答タイプの交換を有し、これによりセキュリティ及び認証能力のレベルを付加的に上昇させることができる。例えば、デバイスはソースに対してランダム検証コードを暗号化して尋問し、このランダム検証コードは、共有秘密暗号化鍵又は秘密鍵を使用してソースに対して帯域外通信チャネルを介して送る。帯域外通信チャネルで送信された検証コードは、つぎに帯域内通信チャネルを介して信号伝達される（ステップ１９１２）。ソース及びデバイスが暗号化プロトコルで有効化されるケースでは、帯域内通信チャネルで信号伝達される検証コードは、送信元が可逆暗号化機能により受信側で送信元をさらに認証できるよう暗号化又は改変し、また帯域内通信チャネルが、帯域外通信チャネルに関連するのと同一のソース又はデバイスにリンク付けされていることを検証する。
検証に失敗する状況では、無線エネルギー伝送システムは検証手順を繰り返そうとする。若干の実施形態において、帯域内通信チャネルを使用して再信号伝達するための他の検証シーケンスを交換することによって、無線エネルギー伝送チャネルを再検証しようとする。若干の実施形態において、システムは、失敗した帯域内通信チャネルを検証する試みの後に、帯域内通信チャネルを検証するのに使用した情報シーケンス又はタイプを変化又は修正することができる。システムは、帯域内通信検証コードの信号伝達タイプ、プロトコル、長さ、複雑さ等を変更することができる。
若干の実施形態において、帯域内通信チャネル、及びひいてはエネルギー伝送チャネルの検証に失敗した際に、システムは、電力レベル、変調強度、変調周波数、帯域内通信チャネルにおける信号伝達方法等を調整することができる。例えば、デバイスがソースの検証に失敗する際に、システムは、より高いエネルギー伝送レベルでの検証を試行する。このシステムは、より強い磁場を発生するソースの電力出力を増加させることができる。他の実施例において、デバイスがソースの検証に失敗する際に、ソース側共振器のインピーダンスを変化させることによってデバイスに検証コードを通信したソースは、信号伝達のためのソース側共振器のインピーダンスの変化量を増大する又は倍化することさえもすることができる。
実施形態において、エネルギー伝送チャネルの検証に失敗する際に、システムは、帯域外通信チャネルを使用して他の可能なソース又はデバイスを探査、探索、又は発見しようとする。実施形態において、帯域外通信チャネルを使用して無線エネルギー伝送の他の可能な候補を探索することができる。若干の実施形態において、システムは、帯域外通信チャネルの出力電力又はレンジを変化又は調整し、誤ったペアリングを最小化するのに役立てる。
帯域外通信チャネルは、幾つかのモード、例えば、ソースを検出する長レンジモード、及び近接する他のデバイス若しくはソースとの通信を確実にする短レンジ若しくは低パワーモードを有するよう電力変調することができる。実施形態において、帯域外通信チャネルは、各用途の無線チャネルレンジに整合させることができる。エネルギー伝送チャネルの検証に失敗した後、帯域外通信チャネルの出力電力はゆっくりと増大し、無線エネルギー伝送するための他の可能なソース又はデバイスを探索する。上述したように、帯域外通信チャネルは、エネルギー伝送チャネルの干渉物及び障害物とは異なる干渉物及び障害物を呈する場合があり、帯域外通信のためのより高い電力レベルを必要とするソース及びデバイスは、無線エネルギー伝送できるに十分近接した位置にあり得る。
若干の実施形態において、帯域外通信チャネルは、閉所領域（すなわち、車両）においてのみ有効となるようシールド又は位置決めして、十分近接した位置にあり、エネルギー伝送の指向性を有する他のソース又はデバイスとの通信が確実に確立できるよう、向き決め、配列、傾注等を行うことができる。
一実施形態において、システムは、１つ以上の補足的情報源を使用して帯域外通信チャネルを確立する、又は帯域内エネルギー伝送チャネルを検証することができる。例えば、帯域外通信チャネルの初期確立中に、ソース又はデバイスの場所を、既知の若しくはマッピングした無線ソース若しくはデバイスの場所若しくはデータベースと比較し、エネルギー伝送に成功する可能性が最も高いペアを決定することができる。帯域外通信チャネルの発見は、１つ以上のＧＰＳレシーバからの、ＧＰＳデータ、位置センサ、慣性誘導システム等からのデータで補完することができる。
整調可能無線送電システムアーキテクチャ
無線送電システムにおけるソース側ユニットの一実施形態におけるシステムブロック図を図２０Ａに示す。この実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも１つのソースパラメータ、例えばスイッチング増幅器のＤＣバス電圧、及びひいては増幅器の出力電力を調節するのに使用できる。無線送電システムにおけるデバイス側ユニットの一実施形態におけるシステムブロック図を図２０Ｂに示す。この実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも１つのデバイスパラメータ、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ出力におけるＤＣ負荷電圧、又は整流器の入力側に見られるインピーダンスを調節するのに使用できる。本明細書において、本発明者らは、ＤＣ／ＤＣコンバータなしで、ただし、図２１Ａ及び２１Ｂに示す制御可能（整調可能）スイッチング増幅器及び整流器のみを用いて、ソース側及びデバイス側のユニットにおける同一パラメータを調節することができ、またシステムのフルチューニング（完全整調）を行うことができることを実証しようとするものである。システムにおける各電力系統段階（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、若干の効率コストを伴うのが一般的であるので、段階排除はこれら段階のエネルギー損失を排除することができる。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しない送電システムの実施形態は、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用するシステムよりもシステム効率を改善することができる。
整調可能スイッチングコンバータ
スイッチング増幅器及び整流器は、Ｄ又はＥ級のハーフブリッジ又はフルブリッジトポロジーを有することができる。説明としての一実施形態において、Ｄ級のハーフブリッジトポロジーを考慮し、この場合、コンバータ（増幅器又は整流器）のＤＣ側の電圧は、ほぼ一定とし、また適切なサイズのＤＣフィルタ並列キャパシタを使用することによって得られるものとし、コンバータのＡＣ側の電流は、ほぼ正弦波状とし、また適切なサイズのフィルタ直列インダクタを使用して、スイッチングコンバータによって生ずるより高い電流高調波をフィルタ処理することによって得られるものとする。例示的増幅器及び例示的整流器のトポロジーを図２２Ａ及び２２Ｂに示す。特別な実施例のトポロジーをここで考察するが、現行仕様の一般的原理で設計した任意のトポロジーを無線送電システムに使用できることを理解されたい。例えば、ＤＣフィルタ直列インダクタ及びＡＣフィルタ並列キャパシタを有するフルブリッジコンバータは、正弦波状ＡＣ電圧及び一定ＤＣ電流を生ずるよう設計することができる。
スイッチングコンバータは、スイッチを介する誘導中及びスイッチングの瞬間に損失を被ることがあり、これは並列キャパシタンスを有するスイッチを非ゼロ電圧でオンにする場合、又は直列インダクタンスを有するスイッチを非ゼロ電流でオフにする場合に生ずることがある。
整流器
整流器は、小さい並列キャパシタンスを有することができるスイッチとしてダイオードを使用することがよくある。ダイオードは自動スイッチングするものと見なすことができるので、図２２Ｂのトポロジーにおいて、一般的にゼロ近傍電圧で自動オン、及びゼロ近傍電流で自動オフ状態となり。したがって、スイッチング損失を被ることはない。しかし、ダイオード電圧低下に起因して大きな導通損失を被る。したがって、ＭＯＳＦＥＴ、又は任意なタイプの能動スイッチ、例えば、限定しないが、トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ等をスイッチとして使用することができ、また入力電流波形に同期し、ダイオードと同様に動作し、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が小さいことに起因して極めて少ない導通損失しか被らないよう構成することができる。ダイオードをＭＯＳＦＥＴで代用することは、同期整流器ともときに称されるアーキテクチャになる。ＭＯＳＦＥＴは、並列出力キャパシタンス及び並列逆ボディーダイオードを有することができる。若干の実施形態において、外部キャパシタンス及び／又はダイオードは、整流器ブリッジの各ＭＯＳＦＥＴに並列接続することができる。外部ダイオードは、ショットキーダイオードとすることができる。ＭＯＳＦＥＴブリッジの実効キャパシタンスＣｒは、オン状態のスイッチがないとき、ブリッジに対する入力側から見たキャパシタンスとして定義することができる。スイッチのオン抵抗に起因する効率に対する効果は、スイッチが入力に直列接続されている導通中のように、ＡＣ入力整流器インピーダンスの実数部が小さくなればなるほど大きくなる。若干の実施形態において、入力インピーダンスの期待される実数部よりも相当小さいオン抵抗を有するＭＯＳＦＥＴを選択することができる。
若干の実施形態において、ＭＯＳＦＥＴは、ダイオードがオン及びオフに切替わるのとほぼ同一ポイントでオン及びオフに切替わることができ、したがって、並列キャパシタンスがスイッチオンで放出（すなわち、ゼロ電圧）され（いわゆるゼロ電圧スイッチングＺＶＳ条件）、並列ダイオードは導通しないようにすることができる。むしろ、電流はＭＯＳＦＥＴ自体を流れる。したがって、整流器は最小損失で動作し、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の導通損失が小さくなる。図２２Ｂのトポロジーに対して、対応する電圧、電流及びスイッチング波形を図２３Ａに示し、この図において、周期の２つの半期が対称的になり、双方のスイッチがともにオフのときに不感（むだ）時間が存在することが分かる。この動作モードでは、上側スイッチの不感時間位相φｏ、オンデューティサイクルＤ、整流器の入力複素インピーダンスＺｒ、ＤＣ出力電圧ＶＤＣの正弦波状入力電流の大きさＩＡＣに対する比ＺＩＯは、ＤＣ負荷抵抗Ｒ１及び実効キャパシタンスＣｒによってのみ左右される。図２２Ｂのハーフブリッジ実施形態に関して、比ＺＩＯ、不感時間位相及び整流器の入力複素インピーダンスＺｒは、次式によって与えられる。

(1)
若干の実施形態において、適切な不感時間位相φｏは、デバイス側ユニット内のマイクロコントローラ又は他のプロセッサコンポーネントによって動作中にＣｒを知り、ＤＣ負荷抵抗Ｒ１をリアルタイム測定することによって、リアルタイムに計算しまた調整することができる。ＭＯＳＦＥＴ整流器は、動作中にＺＶＳを維持するよう、また並列ダイオードが導通しないように、動的に調整し、したがって、負荷が変動するときの効率を最適化できるようにする。若干の実施形態において、入力電圧波形全体をモニタリングし、また不感時間位相を調整してほぼＺＶＳを維持し、並列ダイオードの導通を最小又は全くないようにすることができる。
この実施形態における整流器のこの動作モードにおいて、スイッチは、ゼロ電流でオフにすることができる（いわゆるゼロ電流スイッチングＺＣＳ条件）。このことは、どのようにしてダイオードスイッチが自動的にオフになるかであり、またこのダイオード動作を模倣するようＭＯＳＦＥＴを設計する。ダイオード及びＭＯＳＦＥＴは実質的に直列インダクタンスを持たないので、オフになるときＺＣＳを維持することは重要ではない。したがって、若干の実施形態において、ＭＯＳＦＥＴ整流器は、ＭＯＳＦＥＴがＺＣＳ時の瞬間ではなく、それより遅い時点でオフになるように設計することができる。この設計はＺＶＳでＭＯＳＦＥＴオンとなる能力を損なうものではなく、なぜなら、ＺＶＳでＭＯＳＦＥＴオンにすることは、双方のスイッチがオフになる関連の不感時間を単に調整するだけで実現できるからである。図２３Ｂは、一方のみの（下側）スイッチが、ＺＣＳ時の瞬間からずれた時点でオフになる実施形態に関する電圧、電流及びスイッチング波形を示す。図２３Ｃは、双方の（上側及び下側）スイッチが同一位相でＺＣＳからシフトしている実施形態の波形を示し、この波形は周期の半期に関して依然として対称的である。図２３Ｄは、双方のスイッチがＺＣＳからシフトしているが、異なる位相でシフトしている実施形態の波形を示す。図２３Ｂ及び２３Ｄの波形は周期の２つの半期に関して対称的ではない。したがって、ハーフブリッジ整流器の下側及び上側のＭＯＳＦＥＴに対するスイッチングシーケンスの上述した実施形態において、オフスイッチング時間は独立的に整調する（ＺＣＳから遅延させる）ことができる。この後、これらが整調されるとき、ＤＣ負荷抵抗Ｒ１が一定であるか、可変であるかに係わらず、整流器の複素入力インピーダンスＺｒを調整し、またＤＣ整流器出力電圧及び電力を調整することができる。これら調整は、効率を大きく犠牲にすることなく行うことができ、なぜなら、ＺＶＳは失われず、また並列ダイオードは決して導通しない、又は最小にしか導通しないからである。上述の動作モードの実施形態それぞれは、同一ＤＣ負荷インピーダンスに対しても異なるＡＣ入力インピーダンスを与えることができる。したがって、動作モードは、所望出力電圧若しくは電力の調整に基づいて、又はＡＣ入力インピーダンスの後続実数部に基づいて選択することができ、これによりＭＯＳＦＥＴにおけるオン抵抗の効率に対する作用を最小化することができる。
図２３Ｂに示す動作モードにおいて、上側スイッチのオン・デューティサイクルＤは、ゼロとＤｏとの間の値に独立的に整調することができる。このハーフブリッジ整流器の実施形態における特性は、ＺＩＯ、φＯＮ及びＺｒに関して、次式の公式によって与えられる。

(2)
φＯＮ＝０、つぎにφ１＝φ２−π＝φ０、及びＤ＝Ｄ０に関して、デューティサイクルがＤＣ負荷及びＺＣＳとは独立的に整調されない整流器実施形態の上述の結果を与えることは維持される。
適切な位相φＯＮ、φ１、φ２ は、デバイス側ユニット内のマイクロコントローラ又は他のプロセッサコンポーネントによって動作中にＣｒを知り、ＤＣ負荷抵抗Ｒ１をリアルタイム測定することによって、また１つ以上の所望システム性能特性、例えば、デューティサイクルＤ、比ＺＩＯ、及び／又は整流器インピーダンスの実数部等を知ることによって、リアルタイムに計算しまた調整することができる。このような実施形態において、整調可能ＭＯＳＦＥＴ整流器は、動作中にＺＶＳを維持するよう、また並列ダイオードが決して導通しない、又は最小限にしか導通しないように、動的に調整し、したがって、負荷が変動するときの効率を最適化できるようにし、また所望出力電圧若しくは電力若しくは入力インピーダンスのレベルを調節することができる。若干の実施形態において、入力電圧波形全体をモニタリングし、また位相φＯＮ、φ１、φ２を調整してほぼＺＶＳを維持し、並列ダイオードの導通をほとんど又は全くないようにすることができる。
同様の結論を図２３Ｃ及び２３Ｄの動作モードでも下すことができる。やはり、整流器の入力インピーダンス、出力電圧及び電力のレベルは、ＺＣＳからの１つ又は２つの位相シフトを整調することによって、調整することができる。
若干の実施形態において、整流器はフルブリッジのトポロジーとすることができる。フルブリッジにおける効率を損なうことなく同一デューティサイクル整調を達成するため、ブリッジの左側及び右側は、若干の実施形態において、図２３Ｃに示すスイッチング波形で動作するが、周期の半期分だけ位相シフトして動作させることができ、また若干の実施形態において、図２３Ａに示すスイッチング波形で動作するが、周期の半期より少ない値分だけ位相シフトして動作させることができる。
増幅器
図２２Ａに示す増幅器の一実施形態において、ＭＯＳＦＥＴをスイッチとして使用することができる。ＭＯＳＦＥＴは、並列出力キャパシタンス及び並列逆ボディーダイオードを有することができる。若干の実施形態において、外部キャパシタンス及び／又はダイオードは、増幅器ブリッジの各ＭＯＳＦＥＴに並列接続することができる。外部ダイオードは、ショットキーダイオードとすることができる。ＭＯＳＦＥＴブリッジの実効キャパシタンスＣｒは、オン状態のスイッチがないとき、増幅器の出力側から見たキャパシタンスとして定義することができる。スイッチのオン抵抗に起因する効率に対する効果は、スイッチが出力に直列接続されている導通中のように、増幅器出力におけるＡＣインピーダンスの実数部が小さくなればなるほど大きくなる。若干の実施形態において、出力インピーダンスの期待される実数部よりも相当小さいオン抵抗を有するＭＯＳＦＥＴを選択することができる。ＭＯＳＦＥＴ増幅器及び整流器の図２２Ａ，２２Ｂに示すトポロジーは同一であるので、増幅器のあり得る異なる動作モードは、対応の整流器の波形を時間反転することによって分析することができる。
若干の実施形態において、ハーフブリッジの低スイッチ及び高スイッチに対してスイッチングシーケンスを用い、このシーケンスは周期の２つの半期間で対称的なものとする。このような実施形態において、増幅器の出力において、Ｚｒが［数７］の式(1)で与えられる値とした、複素インピーダンスＺｒ *に接続する場合、増幅器のＤＣ入力インピーダンスＲａは［数７］の式(1)の対応するＲ１に等しく、上側スイッチのオンデューティサイクルは、［数７］の式(1)で与えられるＤ０となり、また電圧及び電流の波形は、図２３Ａに対して時間反転したものとなり、ＺＶＳ及びＺＣＳが同時に得られることを示す。増幅器の出力において、任意のＲ１に対して［数７］の式(1)で与えられない値の複素インピーダンス接続する場合、ＺＶＳ及びＺＣＳは同時に得られない。誘導性である１組の複素インピーダンスのセットに対してＺＶＳが得られ、したがって、高い効率が維持され、また波形は図２３Ｃに対して時間反転したものとなり得る。ＭＯＳＦＥＴが実質的な直列インダクタンスを持たないので、ＺＣＳ条件は、やはり増幅器のスイッチング効率にとって重要ではないことに留意されたい。ＺＶＳを伴うとき、スイッチのオン状態中のＺＣＳは、ゼロ導関数値の電圧を伴い、したがって、主にＺＶＳの瞬間を達成するタイミングに関して改善した公差を可能にすることを意味する。すなわち、ＺＶＳが十分接近する若干の時間範囲が得られる。これら実施形態において、対称的なスイッチングシーケンス及びデューティサイクルＤは、増幅器の出力におけるＡＣ複素インピーダンス、オン切替えの時点で並列ダイオードに導通がほとんど、又は全くない状態でＺＶＳを得る要件によって一意的に決定される。したがって、固定ＤＣ入力電圧が与えられる場合、電力レベルを所望量に独立的に調整することは、若干の効率を犠牲することなしには不可能である。
若干の実施形態において、動作中にソース側ユニット内のマイクロコントローラ又は他のプロセッサによって、Ｃａを知り、またＡＣ出力インピーダンスをリアルタイムに測定することにより、適切なデューティサイクルＤ及び不感時間を決定（すなわち、参照テーブル等を使用して計算、探索）し、またリアルタイムに調整することができる。動作中ＭＯＳＦＥＴ増幅器は、ＺＶＳを維持しかつ並列ダイオードが導通しない又は最小にしか導通しないよう動的に調整して、出力インピーダンスが変動しても効率を最適化することができる。若干の実施形態において、入力電圧波形全体をモニタリングし、またスイッチングシーケンスを調整して、実質的にＺＶＳを維持し、また並列ダイオードにおける導通がほとんど又は全くない状態にする。
若干の実施形態において、ハーフブリッジの低スイッチ及び高スイッチに対してスイッチングシーケンスを用い、このシーケンスは周期の２つの半期間で非対称なものとする。すなわち、ＭＯＳＦＥＴのオン切替え時点は適切な効率を維持するためＺＶＳで又はその近傍で生ずるが、上側ＭＯＳＦＥＴのオフ切替え時点は整調可能にする。このスキームは独立した整調ノブを設け、この整調ノブによって増幅器の電力を調整可能にする。増幅器の出力において、Ｚｒが［数８］の式(2)で与えられる値とした、複素インピーダンスＺｒ *に接続する場合、増幅器のＤＣ入力インピーダンスＲａは［数８］の式(2)の対応するＲ１に等しく、上側スイッチのオンデューティサイクルは、［数８］の式(2)で与えられるＤとなり、また電圧及び電流の波形は、図２３Ｂに対して時間反転したものとなり、ＺＶＳは双方のオン状態になる瞬間に得られ、またＺＣＳは片方のオン状態になる瞬間に得られることを示す。増幅器の出力において、任意のＤ及びＲ１に対して［数８］の式(2)で与えられない値の複素インピーダンス接続する場合、ＺＣＳはいかなる時点でも得られない。誘導性である１組の複素インピーダンスのセットに対してＺＶＳが得られ、したがって、高い効率が維持され、また波形は図２３Ｄに対して時間反転したものとなり得る。
若干の実施形態において、動作中にソース側ユニット内のマイクロコントローラ又は他のプロセッサによって、少なくとも１つのＣａを知り、またＡＣ出力インピーダンスをリアルタイムに測定し、そして１つ以上の所望システム性能特性、例えばデューティサイクルＤ、比ＺＩＯ、及び／又はＤＣ入力インピーダンス等を知ることにより、適切なデューティサイクルＤ及び不感時間を決定し、またリアルタイムに調整することができる。動作中整調可能ＭＯＳＦＥＴ増幅器は、ＺＶＳを維持しかつ並列ダイオードがほとんど導通しない又は最小にしか導通しないよう動的に調整して、出力インピーダンスが変動しても効率を最適化し、また所望の電力レベルを調節することができる。若干の実施形態において、入力電圧波形全体をモニタリングし、またスイッチングシーケンスを調整して、実質的にＺＶＳを維持し、また並列ダイオードにおける導通がほとんど又は全くない状態にする。
若干の実施形態において、増幅器はフルブリッジのトポロジーを有するものとする。フルブリッジの効率を損ねることなく、同一のデューティサイクル整調を得るため、ブリッジの左側及び右側は、図２３Ｃに示すスイッチング波形ではあるが時間反転し、また半周期分位相がシフトした波形で、又は図２３Ａに示すスイッチング波形ではあるが時間反転し、また半周期より若干少ない値の分だけ位相がシフトした波形で動作する。
上述のことから、スイッチング増幅器及びスイッチング整流器の双方は、コンバータの若干の特性を調整するよう独立したデューティサイクル「ノブ」を整調しつつ、高い効率を維持するよう設計できると結論付けることができる。このノブ又は調整可能なパラメータは、無線送電システムに整調タスクを付与できることを示し、さもなければＤＣ／ＤＣコンバータを使用して整調を行うことになる。
整調可能無線送電システム
例示的な実施形態として、変動がなく（Ｒｓ，Ｌｓ，Ｒｄ，Ｌｄ及びＭｓｄが変動しない）、また負荷が一定抵抗Ｒ１となり得る、無線送電ＷＰＴ（wireless power transmission）システムのシナリオを考慮する。図２２Ａ及び２２Ｂは、このような例示的な実施形態を示す。このような固定的全体システムに対しては、終端間効率を最適化するのにソース側及びデバイス側のユニットに何らの整調素子を設ける必要はない。むしろシステム効率を最適化するには、上述したように、デバイス側のインピーダンス整合回路網ＩＭＮｄ（Impedance Matching Network）を以下のように設計する、すなわち、デバイス側コイルからの負荷を見つけるとき、動作周波数ｆ＝ω／２πで整流器の入力インピーダンスＺｒを次式、すなわち、
に変換する、又は等価的にＩＭＮｄの入力における負荷を見つけるときデバイス側コイルのインピーダンス（Ｒｄ＋ｊωＬｄ）を減算した後、次式、すなわち、
に変換する。ソース側コイルへの反射インピーダンスは、次式、すなわち、
となる、又は等価的にソース側コイルのインピーダンス（Ｒｓ＋ｊωＬｓ）を加算した後、ソース側コイルの終端で、次式、すなわち、
となる。したがって、ソース側のインピーダンス整合回路網ＩＭＮｓは、動作周波数においてこのインピーダンスが適切なインピーダンスＺｓに変換され、したがって、最小損失（例えば、ＺＶＳかつＺＣＳ）で動作し、また所望の電力量を出力するよう設計することができる。上述のインピーダンスレベルが得られるとき、システムはインピーダンス整合条件で動作していると言える。
上述のインピーダンスレベルは良好なＷＰＴ効率を可能にする。電力レベルは整調可能増幅器で調整し、この整調可能増幅器は、デューティサイクルを整調する（またＺＣＳを放棄する）ことによって、出力電力を変更するのに使用できる。このようにして、ＷＰＴシステム全体のインピーダンスレベルを変化させない（システムのインピーダンス整合を維持する）ようにし、これにより良好な全体効率を維持することができる。若干の実施形態において、整調可能整流器を使用して、デューティサイクルを整調する（またＺＣＳを放棄する）ことによって、出力電力を変更することができる。このように、ＷＰＴシステムのインピーダンスレベルは変化するが、効率に対する作用は大きくない場合がある。
他の実施例として、デバイス側ユニットの負荷が一定抵抗Ｒ１であり、しかし、コイルパラメータ（Ｒｓ，Ｌｓ，Ｒｄ，Ｌｄ及びＭｓｄ）がコイルの相対位置の変動、又は外部摂動に起因して変動するＷＰＴシステムのシナリオを考慮する。最大ＷＰＴ効率を維持するため、ソース側及びデバイス側のユニットにおけるインピーダンスレベルを整調する（同調させる）必要があり、この整調（同調）は、デバイス側コイルからの負荷を見つけるとき、次式で表されるインピーダンス、すなわち、
のインピーダンスが得られ、また増幅器の出力でＺＶＳかつＺＣＳを生ずるインピーダンスが得られるように行う。これら２つのインピーダンスは複素数であり、実数部及び虚数部を有するため、若干の実施形態において、２つの整調可能「ノブ」（他に、成分、パラメータ、量、値等とも称する）をデバイス側ユニットに使用し、またソース側ユニットでも２つのノブを使用する。若干の実施形態において、上述したように、システムが変動するときにＺＶＳ及びＺＣＳを整調する能力をもたらすようソース側ユニットに使用される２つのノブは、増幅器のデューティサイクル、及びＩＭＮｓ内の１個の整調可能コンポーネント、例えば整調可能キャパシタの値とすることができる。同様に、若干の実施形態において、システムが変動するときに次式のインピーダンス、すなわち、
となるよう整調する能力をもたらす、デバイス側ユニットに使用される２つのノブは、整流器のデューティサイクル、及びＩＭＮｄ内の１個の整調可能コンポーネント、例えば整調可能キャパシタの値とすることができる。整調可能増幅器は、デューティサイクルを減少する（またＺＣＳを放棄する）ことによって、その出力電力を減少するのに使用する。このようにして、ＷＰＴシステム全体のインピーダンスレベルを変化させず、これにより良好な全体効率を維持することができる。デバイス側における実数部のインピーダンス、すなわち、
を維持することは、デバイス側の共振を維持する必要があることを意味する。同様に、ソース側増幅器に対して、ＺＶＳ及びＺＣＳを維持することは、ソース側の共振を維持する必要があることを意味し、さもなければ、増幅器の出力インピーダンスは、十分な電力が供給されない値となり、またＺＶＳが得られない容量性のものになるか、ＺＣＳが大きく喪失するような極めて誘導性の高いものになるかのいずれかの値となり、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が出力インピーダンスの実数部に匹敵し、オン導通損失に起因して効率低下を招くことになる。このような実施形態における整調可能ＩＭＮ素子の目的は、したがって、動作周波数の十分近傍に共振器の共振周波数を維持することにある。
若干の実施形態において、コイル間の結合、すなわちＭｓｄのみが大きく変動する場合、整調可能ＩＭＮは、十分な電力を十分な効率で負荷に供給するためには必要でない。固定ＩＭＮは、所望量の電力を負荷に対して望ましい動作レンジの結合により送電するよう設計するとともに、入力インピーダンスを調整することによって効率を改善するのに整調可能整流器を使用し、またＺＶＳを十分達成し、ダイオード導通がほとんど又は全くないようにし、そして必要に応じて付加的に電力レベルを調整するのに整調可能増幅器を使用することができる。
他の例示的実施形態において、コイルパラメータ及び結合が変動しない（Ｒｓ，Ｌｓ，Ｒｄ，Ｌｄ及びＭｓｄが変動しない）が、負荷が変動する電力量を求め、また一定電圧であることを必要とするＷＰＴシステムのシナリオを考慮する。若干の実施形態において、このような負荷はバッテリの充電回路、ＬＥＤライト等とする。このようなシナリオに対しては、図２０Ｂに示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータをデバイス側ユニットの整流器の後段に使用し、出力電圧を所望レベルに調節することができる。本明細書において、ＤＣ／ＤＣコンバータは必要としないことを示唆する。ＷＰＴシステム全体にわたりインピーダンス整合が得られてＷＰＴ効率を最適化するよう、また適正な出力ＤＣ電圧が付加において見られるよう、システムを初期的に最大負荷電力レベルで設計することを考慮する。若干の実施形態において、整調可能増幅器をソース側ユニットに使用し、負荷が要求する電力が減少するとき、整調可能増幅器の出力電力を同じ量だけ減少し（デューティサイクルを減少しまたＺＣＳを喪失することにより）、またこの減少は、結合した共振器の系がほぼ線形であるため、ＤＣ負荷電圧及びインピーダンス整合レベルをほぼ同一のままにすることができる。若干の実施形態において、整調可能整流器を使用して、負荷の電力要求が減少する間に負荷における所望出力ＤＣ電圧レベルを維持することができる。このような実施形態において、ＷＰＴシステムの効率は、最適インピーダンス整合が喪失するとき影響を受け、またソース側増幅器の電力出力は出力インピーダンスの変動に従ってのみ変動し、それでも若干の用途では効率は十分となり得る。
他の例示的実施形態において、上述のタイプの負荷を、コイル間の結合が変動するとき、変動する（Ｒｓ，Ｌｓ，Ｒｄ，Ｌｄ及びＭｓｄが変動する）こともあり、外部摂動がシステムに影響を及ぼすことがあるＷＰＴシステムに使用する。システム内で維持することが必要な望ましい動作目標は４つあり、すなわち、(1)負荷が特定動作をするためのＤＣ負荷電圧、(2,3)ＷＰＴ効率を最大化するよう負荷を探しているデバイス側コイルから見た次式のインピーダンスレベル、すなわち、
のインピーダンスレベル（実数部及び虚数部）の整合、及び(4)ソース側の共振があり、増幅器の出力におけるインピーダンス（基本的には虚数部に対する実数部の比）を適正レベルにして、十分な電力を（デバイス側負荷に）送給できるよう、また増幅器効率の低下をまねくような容量性インピーダンス又は極めて誘導性の高いインピーダンスを回避を回避できるようにする。
これら４つのシステム目標を維持するため、代表的にはシステムに４つの整調可能ノブを必要とする。提案する実施形態において、４つのノブは、ソース側増幅器の整調可能デューティサイクル、デバイス側整流器の整調可能デューティサイクル、ＩＭＮｓにおける整調可能素子（例えば、キャパシタ）、及びＩＭＮｄにおける整調可能素子（例えば、キャパシタ）である。若干の実施形態において、４つすべてのノブを整調して４つすべての望ましい目標を同時に達成することができる。若干の実施形態において、各ノブは１つの望ましい目標をターゲットとすることができ、またすべてのノブがそれぞれ個別のターゲット用に整調するとき、システムは全体的に望ましい条件に収束することができる。このような１つの実施形態において、整流器のデューティサイクルを整調して、負荷における望ましいＤＣ出力電圧を維持し、ＩＭＮｓにおける整調可能素子を整調して、ソース側共振を維持し、増幅器のデューティサイクルとともにＩＭＮｄにおける整調可能素子を整調して、デバイス側におけるインピーダンス整合条件を維持できるようにする。この最後に述べたステップが達成されるのは、電力レベルを調整することが整流器のＡＣ入力インピーダンスを調整し（非線形負荷をその出力に接続しているので）、また整調可能ＩＭＮｄ素子がデバイス側共振を調整しているからである。他の実施形態において、増幅器のデューティサイクルを整調して一定ＤＣ負荷電圧となるよう調整し、整調可能ＩＭＮｓ素子を再び整調してソース側共振を維持し、また整流器のデューティサイクルとともにＩＭＮｄの整調可能素子を整調してデバイス側におけるインピーダンス整合条件を維持できるようにする。
若干の実施形態において、デバイス側共振器の共振が大幅に変動しない（一般的にはデバイス側コイルのインダクタンスが摂動に起因して大幅に変動しないので）場合、負荷に対する所望ＤＣ電圧かつ十分高い効率での所望電力送給を達成するためには、ＩＭＮｄにおける整調可能素子は不要にすることができる。若干のこのような実施形態において、ＩＭＮｓの整調可能素子を整調してソース側共振をほぼ維持し、整流器のデューティサイクルを整調してＤＣ負荷電圧を維持し、また増幅器のデューティサイクルを整調して全体送電効率を最大化できるようにする。若干の実施形態において、増幅器及び整流器のデューティサイクルの役割は交換することができる。若干の実施形態において、１つのデューティサイクルノブを調整して、効率を最大化する代わりに、整流器の入力における特定ＡＣインピーダンスレベルを達成することができる。
若干の実施形態において、コイル間結合、すなわちＭｓｄのみが大幅に変動する場合、負荷に対する必要電圧レベルかつ十分高い効率での要求電力供給を達成するためには、整調可能ＩＭＮは、ソース側にも又はデバイス側にも不要とすることができる。若干の実施形態において、整流器のデューティサイクルを整調してＤＣ負荷電圧を維持し、増幅器のデューティサイクルを整調して全体送電効率を最大化できるようにする。若干の実施形態において、増幅器及び整流器のデューティサイクルの役割は交換することができる。若干の実施形態において、１つのデューティサイクルノブを調整して、効率を最大化する代わりに、整流器の入力における特定ＡＣインピーダンスレベルを達成することができる。
若干の実施形態において、増幅器で整調することができる付加的ノブはスイッチング周波数（及びひいては動作周波数）である。この周波数を整調することにより、電力調整を行うことができる。高Ｑ共振器を有し、共振器間で近似共振を必要とするＷＰＴの若干の実施形態において、すべてのデバイス側ユニットが整調可能ＩＭＮを有し、デバイス側ユニットの共振周波数の調整により動作周波数をほぼ整合させることができると仮定する場合、周波数の整調を使用して電力を調整する。
若干の実施形態において、利用可能な付加的整調ノブは、ソース側及びデバイス側のＩＭＮにおける付加的整調可能素子とすることができる。
代表的バッテリ給電デバイスにおいて、充電回路をバッテリに先行させて設け、各充電サイクルで、特定充電プロファイル（特性曲線）でバッテリを充電できるようにする。実施形態において、デバイス側ユニットの出力を調節する電流仕様であるＷＰＴシステム実施形態の能力によれば、付加的充電回路を設ける必要なしに、デバイスをバッテリに直接接続することができる、又は付加的充電回路が依然として必要である場合に、充電回路はより小さく、より安価なものとし、またより少ないコンポーネント数で済ませることができる。すなわち、実施形態において、ＷＰＴシステム自体をバッテリ用のバッテリ充電回路とし、バッテリ管理全体、例えば、バッテリ状態（例えば、電圧又は温度）のモニタリングを行い、また、充電サイクルの異なる部分における異なる電力量を要求する。代表的充電プロファイル、例えば、リチウムイオン電池、又はＮｉＭＨ電池のプロファイルは、充電回路によって得られる一定電流又は一定電圧の時間的インターバルを有する。本明細書において既に説明したように、若干の実施形態において、ＷＰＴシステムは、少なくとも１つのシステムノブを整調することによって整流器出力におけるＤＣ負荷電圧を維持することができる。若干の実施形態において、このノブは整調可能整流器のデューティサイクルとすることができる。バッテリに対する直接接続の際に、バッテリは出力電圧を自動的にバッテリ自身の内部瞬間電圧にセットすることがよくある。したがって、若干の実施形態において、システム整調ノブを整調して、整流器の出力にＤＣ負荷電流（電圧の代わりに）を維持できるようにする。若干の実施形態において、この整調ノブはやはり整調可能整流器のデューティサイクルとすることができる。若干の実施形態において、ＷＰＴは、少なくとも１つのシステムノブを整調することによって、一定電流又は一定電圧のインターバルを含む任意の所望充電プロファイルとなるよう実装できる。若干の実施形態において、この整調ノブは整調可能整流器のデューティサイクルとすることができる。
ＷＰＴシステムの実施形態において、整調を行うシステムの制御は一連のパラメータを測定することに基づく。ソース側ユニットにおいて、ＤＣ電圧及び電流を測定して、ソース側増幅器への入力電力及びＤＣインピーダンスを決定する。ソース側のＤＣ電力、電圧及び／又は電流の測定を使用して、増幅器のデューティサイクルを整調し、これによりソース側ユニットに対する電力、電圧及び／又は電流を調節できるようにする。ソース側ユニットにおいてさらに、ＡＣ電圧及び／又は電流を測定して、ソース側増幅器の出力電力及び／又はＡＣインピーダンスを決定する。ＡＣインピーダンスの測定は、上述したように、増幅器ＭＯＳＦＥＴのスイッチング時点を整調し、ＺＶＳが得られ、ＭＯＳＦＥＴ以外に並列ダイオードには電流が決して流れないようにするのに使用することができる。ＡＣインピーダンスの測定は、ソース側インピーダンス整合回路網における１個以上の整調可能素子の値を整調するのにも使用して、ソース側共振を維持する、及び／又は増幅器から所望の出力電力を供給するが、バッテリ増幅器効率で供給できる値にＡＣインピーダンスを変更できるようにする。デバイス側ユニットにおいて、ＤＣ電圧及び／又は電流を測定して、負荷に送給されるデバイス側整流器の出力電力及び瞬間ＤＣ負荷インピーダンスを決定することができる。デバイス側におけるＤＣ電力、電圧及び／又は電流の測定を使用して整流器のデューティサイクルを調整し、デバイス側ユニットから負荷への電力、電圧及び／又は電流の出力を調節できるようにする。さらに、デバイス側ユニットにおいて、ＡＣ電圧及び／又は電流を測定してデバイス側整流器への入力電力及び／又はＡＣ入力インピーダンスを決定することができる。ＤＣインピーダンスの測定及び入力ＡＣ電流波形に対する同期を使用して、上述したように、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング時点を整調し、ＺＶＳが得られ、ＭＯＳＦＥＴ以外に並列ダイオードには電流が決して流れないようにすることができる。
若干の実施形態において、アナログフィルタを使用して感知したソース側及びデバイス側のＡＣ電圧波形をフィルタ処理することができる。若干の実施形態において、このフィルタはシングル増幅器バイクワッド（ＳＡＢ：Single-Amplifier-Biquad）の高Ｑ低域通過又は帯域通過フィルタを有することができる。
若干の実施形態において、ＡＣソース側及び／又はデバイス側電流は、電流感知変成器を使用して測定することができる。若干の実施形態において、インピーダンス整合回路網が増幅器及び／又は整流器のＡＣ側に直列に接続したインダクタを有する場合、ＡＣ電流は、このインダクタを変成器に変更し、また１回以上の巻回を付加することのよって測定することができる。若干の実施形態において、アナログフィルタを使用して感知した電流波形をフィルタ処理することができる。若干の実施形態において、このフィルタはシングル増幅器バイクワッド（ＳＡＢ）の高Ｑ低域通過又は帯域通過フィルタを有することができる。
整調可能整流器の実施形態において、整流器ＭＯＳＦＥＴのスイッチング波形を整流器へのＡＣ電流入力に同期させるのは、アナログ回路、デジタル回路、マイクロコントローラ、又はこれらの任意の組合せを使用することによって行うことができる。若干の実施形態において、ＡＣ電流を感知し、フィルタ処理し、また比較器に入力して同期信号を発生することができる。若干の実施形態において、比較器はマイクロコントローラ内に設けることができる。整流器ＭＯＳＦＥＴのスイッチング波形は、同期信号に対して遅延させることが必要である。若干の実施形態において、この遅延は、個別のアナログ若しくはデジタル式コンポーネントにより、又はマイクロコントローラ内で行うことができる。若干の実施形態において、整流器ＭＯＳＦＥＴの可変デューティサイクルにおけるスイッチング波形（又は位相シフト）はアナログ及びデジタル式の論理回路を使用して、又はマイクロコントローラ内で生成することができる。
ＷＰＴシステムの実施形態において、整調に至るシステム制御は、処理ユニット内で実行するアルゴリズムを必要とし、これら処理ユニットはソース側ユニット、デバイス側ユニット又はその双方に配置することができる。アルゴリズムは、１つ以上の測定したシステムパラメータを使用し、またシステムの整調可能パラメータに対する必要な変更を決定することができる。アルゴリズムは、測定したパラメータを受入れ、またすべての必要な整調を送給する１つの全体的アルゴリズムとすることができる。アルゴリズムは、直列的又は並列的に実行され、全体的に収束される複数アルゴリズムの総和とすることができる。このような複数アルゴリズムの実施形態において、若干のアルゴリズムをソース側ユニットで実行し、また若干のアルゴリズムをデバイス側ユニットで実行することができる。
ＷＰＴシステムの実施形態において、ＷＰＴシステムの１つのユニットで実行する制御アルゴリズムは、ＷＰＴシステムの異なるユニットで測定されたパラメータについての情報を必要とする。このような情報は、異なるユニット間で通信チャネルを介して通信することができる。若干の実施形態において、情報伝達の通信チャネルはエネルギー伝送のためのものと同一チャネルとすることができる。帯域内通信のこのような実施形態において、情報伝達ユニットにおける少なくとも１つのパラメータ又はコンポーネントは整調可能にし、情報受信ユニットにおける動作に対する測定可能な変化を有効化できるようにすることが必要となる。整調可能パラメータ又はコンポーネントは、ユニットのコンバータにおけるデューティサイクル、又はユニットのＩＭＮにおける整調可能素子等とすることができる。若干の実施形態において、情報伝達の通信チャネルは、エネルギー伝送とは異なるチャネルとすることができる。帯域外通信のこのような実施形態において、ＷＰＴ動作周波数とは異なる任意の周波数で動作する、任意の標準通信方法及び通信プラットフォーム、例えば無線アンテナ、赤外線、ＬＥＤ、センサ、音響信号等を使用することができる。
ＷＰＴシステムの実施形態において、整調可能なＭＯＳＦＥＴ増幅器及び整流器の対称性により、ＷＰＴシステムのユニットにおける役割を相互交換することができる。すなわち、ソース側ユニットをデバイスとして動作させ、またデバイス側ユニットをソースとして動作させることができる。したがって、システムは電力の双方向の流れを可能にする。この特徴は幾つかの理由からシステムの制御及び用途の点で極めて有利である。双方向動作は、さらに、デバイス側ユニットにおける負荷がバッテリ自体であるとき一層都合がよい。この場合、システムは何らトポロジー変更をすることなく逆向きに動作することができる。
システム制御の若干の実施形態において、若干の通信プロトコルは、周期的に、しかし、極めて短い時間量でシステムが以下のアルゴリズムを実施するよう調節することができる。すなわち、ソース側ユニットとして動作する１つのユニットを除いて、ＷＰＴシステムにおけるすべてのユニットがデバイスとして動作して、測定（及び他のユニットで行った測定に関する情報の通信による受信）を行い、また自身を整調する；すべてのユニットが代わりばんこに１つの整調ユニットとなり、すべてのユニットが整調されたときシステムが最適整調状態となることができる。他の実施形態において、異なるアルゴリズム変更例は、短い時間量でユニットが、（通常、送電中に持つ）１つの役割から役割を変化することを必要とする。
用途の実施形態において、ユニットの双方向動作能力によって、通常何らかのソースから給電されるデバイスとして動作するこのようなユニットが、他の時点で異なるデバイスに給電するソースとして動作できる。実施例として、ラップトップコンピュータは、一般的にデスク内に埋設したソース側ユニットから給電されるデバイスとして動作するＷＰＴユニットを有し、このＷＰＴユニットは、他の時点で（例えば、旅行中に）携帯電話、スマートフォン、ヘッドセット、デジタルカメラ等内のデバイス側ユニットに給電するソースとして動作できるようにする。
ＷＰＴシステムにおける高効率整調可能コンバータのトポロジー及び構成についての上述の説明は、複数ユニット、例えば複数ソース側ユニット及び／又は複数デバイス側ユニット、並びにあり得る複数リピータユニットを有するシステムに敷衍することができる。このような実施形態において、各デバイス側ユニットにおける整調可能整流器は、そのデューティサイクルを整調して、負荷出力における固定ＤＣ電圧又は固定ＤＣ電流、又は任意の所望バッテリ充電プロファイルを調整することができる。若干の実施形態において、各ソース側ユニットにおける整調可能増幅器は、そのデューティサイクルを整調して、その出力電力を調整することができる。この電力調整は全体システム効率が最適化されるように行うことができる。整調可能素子が若干の又はすべてのシステムユニットのＩＭＮ内に存在する若干の実施形態において、付加的整調ノブによって、より複雑なシステム制御を可能にし、これにより、必要なＤＣ負荷電圧、負荷の電力要求、ソース側の最大電力送給能力等によって制約を受けるシステム効率を最適化するという最終目的を達成することができる。一般的に異なるデバイスは、１つ以上のソース側ユニットからの互いに一致しない増大した又は減少した電力出力に対しての関心を持つものである。若干の実施形態において、ソース側ユニットからの電力出力を調整して、すべてのデバイスからの最大電力要求を、最大限の出力電力レベルまで満足させることができる。この場合、少ない電力を要求しているデバイスにおいて、デバイスが共振するよう整調する場合、電力を大きく循環させ、したがって、電力を消失させることになる。複数のデバイスを有するＷＰＴシステムで、１個以上の整調可能素子がデバイスのＩＭＮ内に存在する若干の実施形態において、少ない電力を要求するデバイスにおける１個以上の整調可能素子は、所望の出力電力、電圧、又は電流を維持しつつ、デバイスにおける消失電力を減少するよう、離調させることができる。
システム実施形態の例
図２４は、本発明による無線エネルギー伝送システムの例示的ブロック図を示す。図２４に示すシステムは、少なくとも１つの無線エネルギー捕捉デバイスにエネルギーを伝送する無線エネルギーソースを有する。このシステムは、システムのエネルギー伝送を調整できる整調可能ソース側素子及び整調可能デバイス側素子を有する。エネルギー伝送の調整は、デバイス側に伝送されるエネルギー量を制御するのに使用することができる。この調整を使用して、異なる負荷条件、異なるデバイスのソースに対する相対位置／指向性の下に、負荷に対して送給する電力を制御することができる。エネルギー伝送の調整を使用して、システム素子に貯蔵される又はシステム素子に流れる過剰なエネルギーに起因するシステム素子におけるムダな又は消失されるエネルギーを減少することによって、エネルギーが効率よく伝送されることを確実にする
システムのソース側は、整調可能増幅器及び整調可能インピーダンス整合回路網を有することができる。ソース側整調可能素子を使用してソース側電力出力、ソース側の効率、及びソース側共振器の共振周波数を調整することができる。例示的実施形態において、調整可能スイッチング増幅器２４０２をエネルギー源、例えば、ＤＣ電圧源に接続することができる。エネルギー源のＤＣ電圧はスイッチング増幅器２４０２によりスイッチング又は振動電圧に変圧し、インピーダンス整合回路網２４０４を介してソース側共振器２４２２を駆動するのに使用する。スイッチング増幅器はスイッチング周波数を調整可能又は整調可能である。若干の実施形態において、スイッチング増幅器の周波数を使用して増幅器の電力出力を調整することができる。ソース側共振周波数未満又はそれより高い周波数でソース側共振器を駆動することを使用して、増幅器の電力出力を変化させることができる。例示的実施形態において、スイッチング増幅器は、増幅器の通常動作中ほぼ固定又は一定のスイッチング周波数を有するのが好ましい。増幅器のスイッチング周波数はシステム周波数に整合させるのが好ましい、又はソース側共振器の共振周波数にほぼ等しくすることができる。この実施形態において、ソース側の電力制御は、増幅器のデューティサイクル又は増幅器の位相シフトを調整することによって制御するのが好ましい。
ソース側のインピーダンス整合回路網２４０４は増幅器の効率的動作を生ずるよう整調することができる。インピーダンス整合回路網は、増幅器と効率的エネルギー伝送のためのソース側共振器との間におけるインピーダンス整合を生ずる整調可能コンポーネントを有することができる。インピーダンス整合回路網は、さらに、ソース側共振周波数の制御及び調整を行う整調可能コンポーネントを有することができる。整調可能コンポーネントを使用して、共振器のパラメータが環境によって摂動したり、またデバイスの位置変化、デバイスの移動等によって変化したりするときソース側共振周波数をほぼシステム周波数に維持できるようにする。
ソース側整調可能素子をソース側におけるフィードバック又は制御ループを介して制御することができる。ソース側整調可能素子はフィードバック又は制御ループを介して測定したソース側パラメータ、例えば、電圧、電流、温度、磁場強さ等に基づいて制御することができる。ソース側整調可能素子は、フィードバック又は制御ループを介して、システムのデバイスと交換する情報を使用して制御することができる。
図２４に示す例示的実施形態において、ソース側は増幅器への入力部におけるＤＣ電圧及びＤＣ電流の１つ以上の測定を行う増幅器制御部２４１０を有する。増幅器の入力における入力電圧及び電流２４１６を測定して、ソース側への電力入力を決定し、またソース側の電力出力を推測することができる。増幅器制御部は増幅器２４０２のスイッチング素子におけるデューティサイクル又は位相シフトを調整し、これにより増幅器の電力入力又は出力を調整することができる。増幅器制御部は、通信し合うようデバイス側と結合し、またデバイス側に送給される電力、又はデバイス側が要求する電力に基づいて増幅器のデューティサイクル又は位相シフトを調整することができる。
システムにおいて、増幅器のデューティサイクル又は位相シフトは、デバイスに送給され、デバイスが必要とする電力量の変化の結果として、周期的な又は連続的な調整が必要である。デバイスが必要とする電力はソース側共振器コイル２４２２とデバイス側共振器コイル２４２４との間の結合変化、デバイスの移動、システムにおける他のデバイスの電力吸い取り等によって変化し得る。例えば、ソース側共振器コイルとデバイス側共振器コイルとの間の結合は、デバイスがソースから一層離れる位置をとる場合に減少する。より離れて位置することにより、デバイス側共振器コイル２４２４に送給される電力は減少する。デバイスに送給される特定電力を維持するため、増幅器制御部は増幅器のスイッチング素子のデューティサイクルを増加させ、より多くの電力をソース側共振器コイルに送給することができる。
図２４に示す例示的実施形態において、ソースはインピーダンス整合制御部２４１２を有し、このインピーダンス整合制御部２４１２は増幅器２４０２の出力でＡＣ電圧及びＡＣ電流の１つ以上の測定値２４１８を生ずる。増幅器の出力で波形の特性を測定することにより、増幅器制御部２４１０は増幅器２４０２のスイッチング素子を調整し、増幅器２４０２のスイッチング素子においてゼロ電圧スイッチングを達成することができる。波形特性の測定はインピーダンス整合制御部が使用して、ソースの共振周波数を決定する。ＩＭＮの素子は、共振周波数を増幅器のスイッチング周波数にほぼ近づけるよう調整することができる。波形特性の測定はインピーダンス整合制御部が使用して、増幅器における電力入力又は電力出力を、増幅器効率を改善する所望レベルに調整するインピーダンス整合回路網の整調可能素子の値を決定することができる。
実施形態において、増幅器制御部及びインピーダンス整合制御部は物理的に同一コントローラとするか、又は別個の回路若しくはブロックとする。当業者であれば、本明細書に記載した機能性を有する制御ブロックを実現するには種々の方法があることを理解するであろう。実施形態において、制御部はパラメータ、センサ等を用いるアナログ回路を使用して実装することができる。実施形態において、制御部は、ＦＰＧＡ，マイクロコントローラ、ＡＳＩＣＳ等のようなデジタルハードウェア内に実装することができる。
システムのデバイス側は、インピーダンス整合回路網２４０６及び整調可能スイッチング整流器２４０８を有する。共振器コイルに誘導される振動電圧を、インピーダンス整合回路網２４０６を介して伝送し、整流器２４０８の出力でほぼＤＣの電圧及び電流となるよう整流し、バッテリ、電子機器等のような負荷に給電することができる。整流器は、スイッチング素子の整調可能なデューティサイクル又は位相シフトを有する、制御したゼロ電力スイッチング整流器とし、またこの整流器を使用してデバイスの負荷に送給する出力電圧又は出力電流を制御することができる。
スイッチング整流器の整調可能素子はデバイスにおけるフィードバックループを介して制御する。整流器制御部２４１４はデバイスの電圧及び電流の１つ以上の測定値を生じ、また整流器のスイッチング素子におけるデューティサイクル又は位相シフトを調整することができる。実施形態において、整流器制御部は整流器のＤＣ電圧及び電流２４２０を測定する。実施形態において、整流器のスイッチング素子におけるデューティサイクル及び／又は位相シフトは、負荷又は整流器２４２０の出力で一定電圧を得るよう制御又は調整することができる。実施形態において、整流器のスイッチング素子におけるデューティサイクル及び／又は位相シフトは、負荷又は整流器２４２０の出力でほぼ一定の電流を得るよう制御又は調整することができる。
無線エネルギー伝送システムにおいて、負荷又は整流器２４２０の出力での電圧及び／又は電流は、負荷パラメータ変化があるため、周期的又は連続的な調整さえも必要とする。実施形態において、負荷の電力要求は周期的又は連続的に変化し得る。負荷がバッテリである例示的実施形態において、電力要求は、バッテリの残存充電量状態が変化するにつれて連続的に変化する。バッテリが放電されるとき、バッテリは初期充電サイクルに対して一定電流を要求するが、バッテリが充填されるにつれて電流要求量は減少する。システムにおいて、整流器制御部２４１４は整流器のスイッチング素子におけるデューティサイクル及び／又は位相シフトを調整し、必要とされる電圧及び／又は電流を付加に供給することができる。
システムにおいて、整流器におけるデューティサイクル及び／又は位相シフトは、ソース側から受取る電力量が変化する結果として周期的な又は連続的な調整を必要とする。デバイス側共振器コイル２４２４に送給される電力は、ソース側のより少ない電力を出力すること、ソース側共振器コイル２４２２とデバイス側共振器コイル２４２４との間の結合変化、デバイスの移動、システムにおける他のデバイスの挙動又は電力吸い取り等に起因して変化する。例えば、ソース側共振器コイルとデバイス側共振器コイルとの間の結合は、デバイスがソースから一層離れて位置する場合に減少する。より離れて位置することによりデバイス側共振器コイル２４２４に送給される電力は減少する。デバイス側共振器コイルに送給される電力に変化があっても、負荷における電圧、電流、又は電力出力を維持するためには、整流器制御部は、整流器のスイッチング素子におけるデューティサイクルを増加させ、デバイス側共振器コイルにおける捕捉電力のより大きな割合を負荷に流すことができるようにする。
実施形態において、整流器制御部はシステムのソース側と通信的に結合することができる。実施形態において、整流器制御部は整流器の出力における電圧及び電流に基づいて又は整流器の動作パラメータに基づいて、電力出力を増減するよう、ソース側に信号を送ることができる。整流器が動作レンジの最大限界の外側又は近傍にあり、負荷の電力要求を満たすよう整流器のデューティサイクル又は位相シフトを増加できない場合、デバイスはより多くの電力を出力するようソース側に信号を送る。実施形態において、整流器制御部は、整流器が５０％デューティサイクルの近傍又は４０％デューティサイクルの近傍又はそれ未満にあるとき、より多くの電力を出力するようソース側に信号を送ることができる。実施形態において、整流器はその出力電力を減少することをソース側に信号を送ることができる。実施形態において、整流器が４０％以下のデューティサイクル、又は３０％以下のデューティサイクルで動作しているとき、デバイスは負荷の電力要求を満たすのに必要な量よりも多くの電力を受取ることがあり得る。実施形態において、デバイス側及びソース側の共振器コイルにおける過剰循環電力は、素子における不要な又は過剰な損失、発熱等を引き起こす。過剰循環電流はエネルギー伝送効率の低下を招く。実施形態において、デバイス側整流器制御部は、負荷における電力要求に合致させるため、ソース側電力出力を減少させるようソース側に信号を送ることができる。
実施形態において、システムはソース側の電力出力を調整して、デバイス側の整流器がほぼ５０％デューティサイクルで、又は４０％〜５０％の間におけるデューティサイクルで動作して、デバイス側の負荷の電力要求に合致させることができるようにする。整流器における５０％デューティサイクルの近傍での動作によれば、整流器をより効率的にし、またソース側若しくはデバイス側の共振器コイル及びコンポーネントにおける過剰循環電流に起因する損失を減少することができる。実施形態において、デバイスはソースの電力出力を調整するようソース側に信号を周期的に送ることができる。実施形態において、デバイスは電力要求を認識するように周期的に信号を送り、ソースが最も適切な電力出力慮を決定できるようにする。
若干の実施形態において、デバイスは離調能力を有するものとすることができる。実施形態において、デバイスが多過ぎる又は必要よりも多い電力を受取る場合、デバイス側がソース側共振周波数からデバイス側共振周波数を離調することを必要とする。若干のシステムにおいて、デバイスは、先ずソースに対してデバイス側の電力要求を通信し、ソースが電力出力を減少するのを待機する。しかし、ソース側の電力出力が特定時間経過後も減少しない場合、デバイスはデバイス側共振周波数を離調し、捕捉するエネルギーを減少することができる。デバイスの共振周波数離調は、インピーダンス整合回路網における１つ以上のコンポーネントを調整することによって行うことができる。実施形態において、ソース側への電力要求通信及びデバイス側共振周波数の離調は、負荷の測定した電力要求、及び負荷の電力要求に合致するのに必要な整流器のパラメータに基づいて行うことができる。整流器が３０％未満のデューティサイクルで動作しており、負荷の電力要求に合致する場合、整流器制御部はデバイスを離調させる、又はソース側に電力出力を減少するよう通信することができる。
図２５は、システム素子をより詳細に表すシステムの実施形態を示す。ソース側は、スイッチング増幅器２４０２及びインピーダンス整合回路網２４０４を有する。増幅器は２個のスイッチング素子Ｓ１及びＳ２を有するハーフブリッジのスイッチング増幅器とする。スイッチング素子は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＢＪＴ、電気機械的スイッチ等を含む多数の任意なスイッチとすることができる。スイッチは、固定周波数で周期的にオンオフの切替えをし、ＤＣ入力電圧及び電流を増幅器の出力における振動電圧及び電流に変化させることができる。スイッチング素子Ｓ１及びＳ２のスイッチング周波数及びデューティサイクルは増幅器制御部２４１０によって制御する。当業者には、増幅器は４個以上のスイッチング素子を有し、またフルブリッジのトポロジーにできることを理解するであろう。
インピーダンス整合回路網２４０４は、ソース側共振器コイル２４２２に対して直列及び並列の構成としたインダクタＬ２及びキャパシタＣ６，Ｃ５，Ｃ４の回路網を有する。インピーダンス整合回路網における素子のトポロジーは、システムの動作要件に合うよう仕立てる又は調整することができる。回路網は、若干のシステムにおいて、キャパシタに加わる電流又はピーク電圧を減少するよう設計することができる。他のシステムにおいて、回路網は、回路網内のコンポーネントの数を減らすよう設計することができる。
実施形態において、インピーダンス整合回路網２４０４は１個以上の整調可能コンポーネントを有するものとする。実施形態において、回路網２４０４は、共振器コイル２４２２に並列接続した整調可能キャパシタンスＣ５，Ｃ４を有する。整調可能キャパシタンスは、１個以上の電子制御可能スイッチを使用して回路に対して接続及び断絶できる１個以上のキャパシタのバンクを有する。図２５の実施例に対して、並列キャパシタンスは、電子制御可能スイッチＳ３を使用してのキャパシタＣ５の接続又は断絶によって調整することができる。キャパシタンスの変化を使用して、ソース側の共振周波数の何らかの摂動又は変化を補正するようソース側の共振周波数を整調することができる。実施形態において、キャパシタンス整調を使用して、ソース側の共振周波数をほぼシステム固定周波数に維持することができる。実施形態において、キャパシタンス整調を使用して、増幅器の電力入力又は出力を改善した増幅器効率となるよう調節することができる。
インピーダンス整合回路網は、例えば、インダクタ、他のキャパシタ、抵抗等の他の整調可能素子を有するものとすることができる。素子は、図２５にＣ５で示すキャパシタのようなスイッチング素子で調整することができる。スイッチング素子はインピーダンス整合制御部２４１２によって電子的に制御し、１個以上のキャパシタを回路に対して接続又は断絶させることによってキャパシタンスを変化することができる。
デバイス側のインピーダンス整合回路網２４０６は、デバイス側の共振周波数を設定し、また共振器コイル２４２４を整流器２４０８にインピーダンス整合させるキャパシタ及びインダクタの回路網を有する。整流器２４０８は少なくとも１個の能動スイッチング素子を有する。１個以上のスイッチング素子Ｓ４，Ｓ５を、整流器の入力における振動電圧に同期させてオンオフ切替えをし、振動電圧及び電流を、整流器の出力にほぼＤＣ電圧及び電流を生ずるよう整流することができる。スイッチは電子的制御スイッチ、例えば、整流器制御部２４１４により制御されるトランジスタとすることができる。整流器制御部２４１４は、スイッチング特性、例えば、スイッチのデューティサイクルを制御し、整流器の出力における出力電圧又は電流を制御する。実施形態において、整流器は出力電圧における出力リップルを滑らかにする又は減少する１個以上のフィルタを設けることができる。フィルタは、１個以上のキャパシタ、又は任意の数の他の受動的及び能動的なフィルタトポロジーにすることができる。
実施形態において、増幅器トポロジー及び整流器トポロジーは、図２６に示すフルブリッジ設計に基づくものとすることができる。ソース側フルブリッジトポロジーにおいて、増幅器２４０２は少なくとも４個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を有する。フルブリッジトポロジーにおいて、インピーダンス整合回路網２４０４は、共振器コイル２４２２に対して対称的に配列するのが好ましい。インピーダンス整合回路網の素子は、増幅器の両出力で２重化することができる。例えば、インダクタＬ２は、実施例の回路網において両出力でＬ２ａ，Ｌ２ｂとして２重化することができる。対称的配列インピーダンス整合回路網は、整調可能コンポーネント、例えば、回路に対して接続及び断絶の切替えができるキャパシタのバンクを設けることができる。実施形態において、切替え可能キャパシタのバンクは、Ｃ５ａ，Ｃ５ｂのように対称的配列にし、回路の中心ポイントの周りに対称的に配列したスイッチＳ５，Ｓ６を使用して切り替えることができる。
整調可能ソース側増幅器及び整調可能デバイス側整流器を有する例示的システムは、移動する若しくは移動可能なデバイスに無線エネルギー伝送することに関して、又は１個より多いデバイスを有するシステムに対して大きな利点がある。１個より多いデバイスを有する実施形態において、固定又は一定スイッチング及び出力周波数を有するソースは、１個より多いデバイスに同時に電力を受取らせることができる。ソース側インピーダンス整合回路網を整調してソース側の共振周波数を維持することは、デバイスが移動し、そしてソース側共振器コイルに対する負荷及び摂動を変化させるとき必要である。
幾つかの好適な実施形態につき本発明を説明したが、当業者であれば、他の実施形態も法律が許容される最も広い意味での本発明の範囲内に含まれることを理解されるであろう。
本明細書内で言及したすべての文献は、参照によって記述された通りに全体として本明細書に組込まれるものである。

Claims (12)

  1. 電力源と負荷との間でエネルギー伝送するための無線エネルギー伝送システムにおいて、
    ソース側共振器コイルと、
    デバイス側共振器コイルと、
    前記電力源によって駆動されると共に、ソース側インピーダンス整合回路網を介して前記ソース側共振器コイルを駆動するように構成された、整調可能なスイッチング増幅器であって、電子的制御可能なスイッチング素子を備える、該スイッチング増幅器と、
    前記負荷を駆動すると共に、デバイス側インピーダンス整合回路網を介して前記デバイス側共振器コイルからエネルギーを受取るように構成された、整調可能なスイッチング整流器であって、電子的制御可能なスイッチング素子を備える、該スイッチング整流器と、
    前記整調可能な増幅器における前記スイッチング素子のスイッチング特性を制御し、前記電力源から抽出した電力を調節するよう構成した、ソース側の増幅器制御部と、及び
    前記整流器における前記スイッチング素子のスイッチング特性を制御し、前記負荷に現れる出力の特性を調節するよう構成した整流器制御部であって、前記ソース側の増幅器制御部に通信的に結合するように構成した、該整流器制御部と
    を備え、
    前記システムの動作中、前記ソース側の増幅器制御部は、前記増幅器における前記スイッチング素子にほぼ固定のスイッチング周波数を与える構成とし、また、前記ソース側の増幅器制御部は、前記増幅器における前記スイッチング素子のスイッチング特性のうち少なくとも１つの不感時間を制御して、ゼロ電圧スイッチングを維持する構成とし、
    最大負荷電力レベルで、前記整調可能なスイッチング増幅器がゼロ電流スイッチングを維持され、そして、所定の出力ＤＣ電圧が前記負荷に提供されるよう、インピーダンス整合が前記無線エネルギー伝送システムを通して達成され、
    そして、前記ソース側の増幅器制御部は、前記負荷による電力要求が前記最大負荷電力レベルよりも小さいとき、前記ソース側の増幅器制御部が前記整調可能なスイッチング増幅器の前記スイッチング素子のデューティサイクルを減少させることによって前記整調可能なスイッチング増幅器の出力電力レベルを減少させ、これにより、ゼロ電流スイッチングを喪失させ、そして、前記無線エネルギー伝送システムを通して前記インピーダンス整合を維持する構成とした、無線エネルギー伝送システム。
  2. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記増幅器はハーフブリッジのトポロジーを有している、無線エネルギー伝送システム。
  3. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記増幅器はフルブリッジのトポロジーを有し、また前記ソース側の増幅器制御部は前記増幅器における前記スイッチング素子の位相を制御する構成とした、無線エネルギー伝送システム。
  4. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記整流器はハーフブリッジのトポロジーを有し、また前記整流器制御部は前記整流器における前記スイッチング素子のスイッチングデューティサイクルを制御する構成とした、無線エネルギー伝送システム。
  5. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記整流器はフルブリッジのトポロジーを有し、また前記整流器制御部は前記整流器における前記スイッチング素子の位相を制御する構成とした、無線エネルギー伝送システム。
  6. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記少なくとも１つの不感時間は、前記増幅器の出力電圧及び出力電流の測定に応じて制御される、無線エネルギー伝送システム。
  7. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記システムの動作中、前記整流器制御部は、前記整流器における前記スイッチング素子のスイッチング特性のうち少なくとも１つの不感時間を制御して、ゼロ電圧スイッチングを維持するよう構成した、無線エネルギー伝送システム。
  8. 請求項７記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記整流器の前記スイッチング素子のスイッチング特性の前記少なくとも１つの不感時間は、前記増幅器又は前記整流器の出力電圧及び出力電流の測定に応じて制御される、無線エネルギー伝送システム。
  9. 請求項１記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記ソース側インピーダンス整合回路網は、少なくとも１個の整調可能素子を有する構成とした、無線エネルギー伝送システム。
  10. 請求項９記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記少なくとも１個の整調可能素子は、調整可能のキャパシタを備える、無線エネルギー伝送システム。
  11. 請求項１０記載の無線エネルギー伝送システムにおいて、前記システムの動作中、前記ソース側の増幅器制御部は、前記ソース側共振周波数を維持するために、前記キャパシタを調整するように構成される、無線エネルギー伝送システム。
  12. 無線エネルギー伝送システム内の負荷に伝送されるエネルギーを制御する方法において、
    前記方法は、
    制御可能なスイッチング素子を備える整調可能なスイッチング増幅器を設けたソースを準備するソース側準備ステップと、
    制御可能なスイッチング素子を備える整調可能なスイッチング整流器を設けたデバイスを準備するデバイス側準備ステップであり、前記整流器を前記ソース側の前記増幅器に通信的に結合するように構成した、該デバイス側準備ステップと、
    前記整調可能なスイッチング増幅器の前記スイッチング素子にほぼ固定のスイッチング周波数を与えるための、ソース側の増幅器制御部を使用する、ステップと、
    ゼロ電圧スイッチングを実質的に維持するために、前記整調可能なスイッチング増幅器における少なくとも１つの不感時間を制御する、ステップと、を備え、
    最大負荷電力レベルで、ゼロ電流スイッチングを維持して、そして、所定の出力ＤＣ電圧が前記負荷に提供される間、インピーダンス整合が前記無線エネルギー伝送システムを通して達成され、そして、
    前記負荷による電力要求が前記最大負荷電力レベルよりも小さいとき、前記方法は、前記整調可能なスイッチング増幅器の前記スイッチング素子のデューティサイクルを減少させることによって、前記整調可能なスイッチング増幅器の出力電力レベルを減少させる、ステップを備え、これにより、ゼロ電流スイッチングを喪失させ、そして、前記無線エネルギー伝送システムを通して前記インピーダンス整合を維持する、方法。
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