JP7439065B2 - ワイヤレス電力伝達システムおよびその方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、ワイヤレス電力伝達システムおよびその方法に関する。

様々なワイヤレス電力伝達システムが知られている。典型的なワイヤレス電力伝達システムは、ワイヤレス電力送信機に電気接続された電源と、負荷に電気接続されたワイヤレス電力受信機とを含む。ワイヤレス電力伝達システムの例には、磁気的および電気的ワイヤレス電力伝達システムが含まれる。

磁気的ワイヤレス電力伝達システムでは、送信機は、電源から受信機の誘導コイルに電気エネルギーを伝達する誘導コイルを有する。電力伝達は、送信機の誘導コイルと受信機の誘導コイルとの間の磁場の結合によって生じる。電場が存在するが、電場の大きさは、磁場の大きさと比較して低い。それゆえ、あるとしても非常に少ない電力が、電場結合を介して伝達される。これらの磁気的ワイヤレス電力伝達システムの範囲は限定され、送信機および受信機の誘導コイルは、効率的電力伝達のために最適に整列していなければならない。共振型磁気的ワイヤレス電力伝達システムも存在し、そこにおいて、電力は、送信機の誘導コイルと受信機の誘導コイルとの間の磁場の結合によって伝達される。共振型磁気的ワイヤレス電力伝達システムでは、誘導コイルが、少なくとも１つのキャパシタを使用して共振させられる。共振型磁気的ワイヤレス電力伝達システムでは、あるとしても非常に少ない電力が、共振型または非共振型電場結合を介して伝達される。共振型磁気的ワイヤレス電力伝達システムにおける電力伝達の範囲は、非共振型磁気的ワイヤレス電力伝達システムの電力の範囲を超えて増加し、整列問題は、おおむね修正される。

電気的ワイヤレス電力伝達システムでは、送信機および受信機は、容量性電極を有する。電力伝達は、送信機の容量性電極と受信機の容量性電極との間の電場の結合によって生じる。磁場が存在するが、磁場の大きさは、電場の大きさと比較して低い。それゆえ、あるとしても非常に少ない電力が、磁場結合を介して伝達される。共振型磁気的ワイヤレス電力伝達システムと同様に、共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムも存在し、そこにおいて、送信機および受信機の容量性電極が、少なくとも１つのインダクタを使用して共振させられる。共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムでは、あるとしても非常に少ない電力が、共振型または非共振型磁場結合を介して伝達される。共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムは、非共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムの電力伝達の範囲と比較して増加した電力伝達の範囲を有し、整列問題は、おおむね修正される。

共振型電気的および磁気的ワイヤレス電力伝達システムは、送信機および受信機が、ともに同じ周波数において共振することを必要とする。この周波数は、システムの共振周波数である。共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムでは、インダクタのリアクタンスは、共振周波数において容量性電極のキャパシタンスによってバランスされる。さらに、共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムでは、送信機および受信機は、インダクタのインダクタンスおよび／または容量性電極のキャパシタンスを変えることによって所望の共振周波数（たとえば、１３．５６ＭＨｚ）に同調させられ得る。

環境の中の外部導体および誘電材料（誘電体）は、システムの範囲および効率に影響を与える共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムによって生成される電場に影響を及ぼす。静的な外部導体および誘電体の影響が考慮されるとしても、任意の外部導体および／または誘電体の動きが、効率的な電力伝達に影響を与える場合がある。

具体的には、共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムの電極に蓄積される電荷は、システムの環境の中の外部導体の中で自由に移動する荷電粒子（自由電荷）と相互作用する。これは、効率的に導体を浮遊電極に変えて、システムのキャパシタンスを増加させる。システムの容量性電極に対する外部導体の動きは、外部導体と容量性電極との相対位置に応じて、システムのキャパシタンスを可変的に変化させる。キャパシタンスの変化は、システムの共振周波数を変化させ、システムを離調させる。加えて、共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムの共振周波数は、電極を取り巻く媒体の誘電率 （比誘電率の実部）にキャパシタのキャパシタンスが依存するので、その環境に対してきわめて敏感である。たとえば、取り巻く媒体の中の誘電体の動きに起因して、システムの容量性電極のキャパシタンスが変化する場合、システムの共振周波数は変化する。

誘電体は、電場に沿って自己配向する極性分子から構成される。電場が誘電体に加えられると、電場からのエネルギーが、分子を回転させる。分子の極性は、電場の極性と反対であり、電場の強度を減少させ、それにより、ワイヤレス電力システムの伝送範囲を低減する。外部導体の中の自由電荷は、システムの容量性電極によって生成される電場と反対の電場を生成するように、自体を配列する。生成される電場へのこの対立は、システムの範囲を低減する。さらに、外部導体の中の運動の変化は、導体の抵抗に起因する熱としてエネルギーを消散させる。電場が除去または反転されると、分子の回転エネルギーの一部が回復される一方で、残りのエネルギーは熱として放散される。消散する熱の中で放散されるエネルギーは、システムの全体効率を低減する。電場が加えられたときにエネルギーを貯蔵および放散する誘電体の能力（真空と比較して）は、それぞれ、誘電体の比誘電率の実部および虚部として表現される。

最も一般的で問題となる誘電体のうちの１つが、水である。水の誘電率は高いので、少量の水が、システムのキャパシタンスに大きい影響を与え得る。高い誘電率は、同じく、近接場の低い電場強度と急速な減衰とを意味する。水は、荷電粒子を容易に溶解してそれを導電性にする。さらに、水は、一般に、少なくとも低濃度の自由電荷を有する。水中の自由電荷は、生成された電場からの電位差によって加速される。電場によって与えられた加速は、電場からエネルギーを抽出し、それにより、電場の強度を低減する。同時に、水中の自由電荷の再配向によって生じた電場は、同じく、システムによって生成された電場と反対となる。屋外環境において、共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムは、変動する量の水に遭遇する。空中の水分および土中の水もまた、制御されない屋外環境の中に存在する場合がある。したがって、屋外環境において共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムを動作させることは、課題を提起することがある。

共振電場結合は、共振を達成するためにインダクタを必要とする。インダクタは、非効率で、温度変化に耐性がなく、重くて大きいので、インダクタは望ましくない。システムのキャパシタンスを増加させることによって、インダクタのデメリットを最小化することが望ましく、キャパシタンスの増加は、共振状態に到達するために必要となる要求されるインダクタンスを低減する。

Ｋｕｓｕｎｏｋｉらの米国特許出願公開第２０１５／０３３３５３８号は、環境の影響を除去するために送信共振器または受信共振器を取り巻く長方形の六面体金属エンクロージャを開示している。長方形の立方体構造は、場の結合を可能にするために１つの開いた面を有する。エンクロージャの深さは、少なくとも送信距離の半分でなければならない。そのようなケーシングはかさ高であり得、かつ共振を達成するために必要なインダクタンスを大幅に低減するものではない。さらに、そのようなエンクロージャを大量で製造することは高価であり得る。

米国特許出願公開第２０１５／０３３３５３８号 米国特許出願第１４／８４６，１５２号 米国特許出願第１３／６０７，４７４号 米国特許第９，６５３，９４８号

それゆえ、特定されたデメリットを少なくとも部分的に軽減することが目的である。

したがって、一態様では、ワイヤレス電力伝達システムであって、共振器を含み、共振器は、少なくとも２つの活性電極、および活性電極に隣接して活性電極に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極を包含するように構成された不活性電極を含むキャパシタと、活性電極に電気接続された少なくとも１つの誘導コイルとを含み、共振器は、電場を生成し、生成された電場から電力を伝達するまたは電力を抽出するように構成される、ワイヤレス電力伝達システムが提供される。

一実施形態では、不活性電極は、共振器のキャパシタに追加のキャパシタンスを与え、システムを共振させるために必要な誘導コイルのインダクタンスを低下させる。

別の実施形態では、共振器は、電力をワイヤレスに伝達するように構成された送信機の部分を形成し、共振器は、電場を生成するように構成される。別の実施形態では、共振器は、共振電場（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）を生成するように構成される。別の実施形態では、不活性電極の面積は、少なくとも送信共振器の活性電極間の面積だけ、送信共振器の活性電極の面積よりも大きい。

別の実施形態では、共振器は送信共振器であり、システムは、少なくとも２つ活性電極を含む受信共振器をさらに含む。

別の実施形態では、共振器は、電力をワイヤレスに抽出するように構成された受信機の部分を形成し、共振器は、共振電場結合を介して生成された電場から電力を抽出するように構成される。別の実施形態では、共振器は、生成された共振電場から電力を抽出するように構成される。

別の実施形態では、活性電極は、細長いプレートである。別の実施形態では、不活性電極は、活性電極のうちの１つの幅の２倍と活性電極間の横方向のすき間との和以上の幅と、活性電極のうちの１つの長さ以上の長さとを有する。

別の実施形態では、活性電極は、同心である。

別の実施形態では、活性電極のうちの少なくとも１つは、円板または円環である。

別の実施形態では、不活性電極は、細長いプレートまたは円板である。

別の実施形態では、不活性電極は、内部の活性電極の内部半径以下の内部半径を有する円環である。

別の実施形態では、不活性電極は、不活性電極の縁部に対しておよび／または不活性電極の外周に沿って付された放散性材料（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含む。

別の実施形態では、誘導コイルは、活性電極に対して不活性電極の反対側に配置され、誘導コイルは、不活性電極の中の穴を通して活性電極に電気接続される。

別の実施形態では、キャパシタは、活性電極が上に付される基板と、基板と不活性電極との間に伸びるアクチュエータとをさらに含み、アクチュエータは、活性電極と不活性電極との間の分離距離を変化させるように制御可能である。別の実施形態では、キャパシタは、基板と不活性電極との間に伸びる少なくとも２つの伸縮式支持物をさらに含み、支持物は、活性電極と不活性電極との間の分離距離が変更されるときに伸びるまたは縮むように構成される。別の実施形態では、アクチュエータの作動は、マイクロコントローラによって制御される。

別の実施形態では、不活性電極は接地される。

別の実施形態では、不活性電極は接地されない。

別の態様によれば、フレームと、フレームに搭載されて無人航空機（ＵＡＶ）の揚力および推力を与えるように構成された推進システムと、フレームに搭載されて推進システムに給電するように構成された電力システムであって、少なくとも２つ活性電極、および活性電極に隣接しており、活性電極に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極を包含するように構成された不活性電極を含み、前記不活性電極が活性電極に対して電場源の反対側にあるキャパシタと、活性電極に電気接続された少なくとも１つの誘導コイルとを含み、共振器が共振電場結合を介して生成された電場から電力を抽出するように構成される、共振器と、を含む電力システムと、フレームに搭載され、推進システムおよび電力システムを制御するように構成された制御システムとを含む、無人航空機（ＵＡＶ）が提供される。

別の態様によれば、前に説明したようなＵＡＶと、少なくとも２つの活性電極、および活性電極に電気接続された少なくとも１つの誘導コイルを含み、送信共振器は、電場を生成して共振電場結合を介してＵＡＶに電力を伝達するように構成される、送信共振器とを含むワイヤレス電力伝達システムが提供される。

本実施形態は、次に、添付の図面を参照しながらより完全に説明される。

本開示の一態様による、ワイヤレス電力伝達システムの概略的レイアウトの図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムの送信共振器の活性電極の平面図である。 異なる不活性電極長さに対するワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の無次元幅に対する、図１のワイヤレス電力伝達システムの送信共振器の活性電極の自己インピーダンスのグラフである。 異なる不活性電極長さに対するワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の無次元幅に対する、図１のワイヤレス電力伝達システムの無線周波数（ＲＦ）効率のグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの要素の端面図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の端面図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムの要素の電場の略図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムの要素の電場の略図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムの自己キャパシタンスおよび相互キャパシタンスの回路図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムに対する分離距離に対する、自己キャパシタンスのグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムに対する分離距離に対する、相互キャパシタンスのグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムに対する分離距離に対する、結合係数のグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の幅に対する、自己キャパシタンスのグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の幅に対する、相互キャパシタンスのグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の幅に対する、結合係数のグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の回転角度に対する、自己キャパシタンスのグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の回転角度に対する、相互キャパシタンスのグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の回転角度に対する、結合係数のグラフである。 ワイヤレス電力伝達システムの別の実施形態の要素の斜視図である。 図１９の要素に対する変位に対する、インピーダンスの大きさのグラフである。 図１９の要素に対する変位に対する、インピーダンスの位相のグラフである。 図１９の要素に対する異なる試験材料に対するワイヤレス電力伝達システムのＲＦ効率のグラフである。 図１９の要素に対する異なる材料に対する共振周波数の変化のグラフである。 図１のワイヤレス電力伝達システムの送信共振器の活性電極、受信共振器の活性電極、および受信不活性電極の別の実施形態の斜視図である。 図２４の送信共振器の活性電極の平面図である。 図２４の不活性電極の正規化半径に対する、送信共振器の活性電極の自己インピーダンスのグラフである。 図２４の不活性電極の正規化半径に対する、図２４の活性電極および不活性電極を含むワイヤレス電力伝達システムのＲＦ効率のグラフである。 図２５の製造された活性電極の平面図である。 図２８の活性電極とともに使用するための、図１のワイヤレス電力伝達システムの不活性電極の別の実施形態の斜視図である。 異なる試験材料の上に図２９の不活性電極を有するおよび有しない送信共振器の活性電極のキャパシタンスのグラフである。 本開示の一態様による、ワイヤレス電力伝達システムの別の実施形態の概略的レイアウトの図である。 本開示の一態様による、ワイヤレス電力伝達システムの別の実施形態の概略的レイアウトの図である。 図３２のワイヤレス電力伝達システムの送信共振器および受信共振器ならびに不活性電極の別の実施形態の斜視図である。 図３３のシステムから発する電場の等高線図である。 図３３のシステムから発する電場の別の等高線図である。 図３３のシステムから発する電場の別の等高線図である。 図１のワイヤレス電力伝達システムのキャパシタの別の実施形態の側面図である。 送信機および不活性電極の上に位置する受信機を装備された自立走行車の正面図である。 図３８の送信機および受信機に対する誘電特性に対する、ＲＦ効率を示す表の図である。 図３８の送信機および受信機に対する誘電率に対する、ＲＦ効率を示す表の図である。 図３８の送信機および受信機に対する誘電特性に対する、電源から見たインピーダンスの位相を示す表の図である。 図３８の送信機および受信機に対する誘電率に対する、電源から見たインピーダンスの位相を示す表の図である。 本開示の一態様による、ＵＡＶの斜視図である。 図４３のＵＡＶの底面図である。 図４３のＵＡＶの側面図である。 図４３のＵＡＶのキャパシタの斜視図である。 図４３のＵＡＶの上記キャパシタの底面図である。 図４３のＵＡＶの上記キャパシタを含む部分的ワイヤレス電力伝達システムの斜視図である。

前述の概要ならびにいくつかの例についての以下の発明を実施するための形態は、添付の図面と併せて読めば、より良く理解されよう。本明細書で使用されるように、単数で導入され、単語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」が先行する要素または特徴は、必ずしも複数の要素または特徴を排除するとは限らないものと理解されるべきである。さらに、「一例」または「一実施形態」に対する参照は、説明する要素または特徴を同様に組み込む付加的な例または実施形態の存在を排除するものと解釈されることを意図していない。その上、そうではないと明確な記載がない限り、特定の特性を有する１つの要素もしくは特徴または複数の要素もしくは特徴を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」例もしくは実施形態は、その特性を有しない追加の要素または特徴を含み得る。同様に、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むが限定されない」を意味し、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は同等の意味を有することが諒解されよう。本明細書および図面を通して、同様の参照文字は、同様の要素を指すために使用されることも諒解されよう。

本明細書で使用するような用語「適応される」および「構成される」は、要素、構成要素または他の主題が、所与の機能を実行するように設計および／または企図されることを意味する。したがって、用語「適応される」および「構成される」の使用は、所与の要素、構成要素または他の主題が単に所与の機能を実行「することができる」のではなく、要素、構成要素、および／または他の主題が機能を実行するために明確に選択、生成、実装、利用、および／または設計されることを意味するものと解釈されるべきである。特定の機能を実行するように適応されているとして説明される要素、構成要素、および／または他の主題は、その機能を実行するように構成されているとして付加的または代替的に説明されてよく、その逆も成り立つことが、同様に本出願の範囲に入る。同様に、特定の機能を実行するように構成されているとして説明される主題は、その機能を実行するために動作しているとして付加的または代替的に説明されてよい。

ある要素が、別の要素、の「上に」、に「取り付けられて」、に「接続されて」、と「結合されて」、に「接触して」いるなどとして言及されるとき、その要素は、直接的に他の要素、の上に、に取り付けられて、に接続されて、と結合されて、または、に接触していてもよく、あるいは介在要素が存在してもよいことが理解されよう。

格別に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、主題の開示が関連する当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。

次に図１を参照すると、ワイヤレス電力伝達システムが示され、全体的に参照番号２０で識別される。ワイヤレス電力伝達システム２０は、共振器を含む。共振器は、１つのキャパシタ５２および２つの誘導コイル３０を含む。キャパシタ５２は、２つの活性電極２８と、活性電極２８に隣接する１つの不活性電極６０とを含む。不活性電極６０は、活性電極２８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極２８を包含するように構成される。不活性電極６０は、追加のキャパシタンスをシステムに提供するように構成される。不活性電極６０は、共振を達成するために必要なインダクタンスを低下させるように構成される。各誘導コイル３０は、活性電極２８に電気接続される。

本出願の目的に対して、不活性電極６０は、以下のうちの少なくとも１つであるとき、活性電極２８を包含すると言える。（ｉ）活性電極２８の外周によって画定されるエリアが不活性電極６０のエリアの上に投影される場合、投影は全体的に不活性電極６０のエリアの中にある、（ｉｉ）活性電極２８の投影エリアは、不活性電極６０のエリアに外接する、および（ｉｉｉ）不活性電極６０のエリアは、少なくとも活性電極２８の間のエリアだけ、活性電極２８の外周によって画定される全エリアよりも大きい。

不活性電極６０は、活性電極２８と環境との間に置かれる。不活性電極は、活性電極２８と対向する不活性電極６０の側に実環境が位置するにもかかわらず、活性電極におおむね一定の環境を与えることによって、活性電極２８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外する。

不活性電極６０は、キャパシタ５２のキャパシタンスを増加させる。キャパシタンスのこの増加は、特定の周波数における共振を達成するために必要な誘導コイルのインダクタンスを低下させる。

この実施形態では、共振器は、送信共振器２４である。送信共振器２４は、送信機２２の部分を形成する。送信共振器２４は、後で説明するように、電場を生成して電力を伝達するように構成される。送信機２２は、送信共振器２４に電気接続された電源２６を含む。具体的には、電源２６は、送信共振器２４の誘導コイル３０に電気接続される。

この実施形態では、送信共振器２４の構成要素は、後で説明するように、近接場の中で動作するように構成される。それゆえ、不活性電極６０は、近接場の中で動作するように構成される。

この実施形態では、電源２６は、ソース信号を出力するＲＦ電源である。ソース信号は、一般に正弦波信号である。たとえば、この実施形態では、ソース信号の周波数は１３．５６ＭＨｚである。

２つの誘導コイル３０が、電源２６に直列に接続されているように示されるが、単一の誘導コイル３０が、送信共振器２４の両方の活性電極２８のために使用され得ることは、当業者には諒解されよう。この実施形態では、単一の誘導コイル３０は、電源２６および活性電極２８に並列に電気接続される。

各活性電極２８は、電源２６に電気接続される誘導コイル３０に電気接続される。キャパシタ５２は、後で説明するように、電場を生成して電力を伝達するために、誘導コイル３０と共振するように構成される。

この実施形態では、送信共振器２４の活性電極２８は、横方向に離隔される。活性電極２８は、同一平面上にある。活性電極２８は、導体である。この実施形態では、導体は、細長くておおむね長方形の平面プレートである。導体は、銅箔のテープから形成される。２つの活性電極２８が示されるが、より多くの活性電極２８が使用されてよいことは、当業者には諒解されよう。この実施形態における銅箔のテープの使用は、本開示の範囲または趣旨を限定することを意味しない。なぜならば、限定はしないが、アルミニウム箔またはプリント基板（ＰＣＢ）などの他の導電材料が使用され得ることは、当業者には諒解されるからである。

この実施形態では、不活性電極６０は、細長い要素を含む。細長い要素は、導電性材料から形成される。細長い要素は、対向する主面を有するおおむね長方形の平面プレートの形である。

不活性電極６０は、活性電極２８に隣接する。不活性電極６０は、活性電極２８を包含する。不活性電極６０および活性電極２８は、キャパシタ５２を形成する。この実施形態では、不活性電極６０は、活性電極２８におおむね平行である。活性電極２８および不活性電極６０は、おおむね平行面の中にある。

この実施形態では、不活性電極６０は、接地されない。不活性電極６０は、絶縁される。

この実施形態では、不活性電極６０は、非放射である。

別の実施形態では、不活性電極６０は、接地される。

別の実施形態では、不活性電極６０は、絶縁されない。

この実施形態では、不活性電極６０は、電気的に小さい。不活性電極６０の物理長がλ／１０よりも小さいとき、不活性電極６０は電気的に小さい。λは、電源からのソース信号の波長である。電源２６によって出力される１３．５６ＭＨｚの周波数を有するソース信号に対して、λは約２２ｍである。それゆえ、不活性電極６０は、不活性電極６０の物理長が約２．２ｍよりも小さいときに、電気的に小さい。

不活性電極６０の厚さは、電流の表皮深さ（ｄ）によって制限される。表皮深さ（ｄ）は、電流が、表面電流と比較してｅ－１に減少する、導体の表面の下の深さである。表皮深さ（ｄ）は、不活性電極６０の伝導率（σ）および誘電率（μ）ならびに電流の周波数（ω）に依存する。それは、以下の式によって定義される。

不活性電極６０は、不活性電極６０の両方の主面の上で電流が妨げられずに流れることを可能にするために、表皮深さの少なくとも５倍の厚さであるべきである。

この実施形態では、ワイヤレス電力伝達システム２０は、受信機４２をさらに含む。受信機４２は、負荷４６に電気接続された受信共振器４４を含む。受信共振器４４は、送信共振器２４の共振周波数に同調させられる。受信共振器４４は２つの活性電極４８および２つ誘導コイル５０を含む。誘導コイル５０は、活性電極４８に電気接続され、負荷４６に直列に電気接続される。負荷４６は、電力を必要とするデバイスを含む。たとえば、負荷４６は、バッテリを含む。

２つの誘導コイル５０が、負荷４６に直列に接続されるように示されるが、単一の誘導コイル５０が、受信共振器４４の両方の活性電極４８のために使用され得ることは、当業者には諒解されよう。

この実施形態では、２つの誘導コイル５０が、負荷４６および受信共振器４４の活性電極４８に並列に電気接続される。３つ以上の誘導コイル５０が、負荷４６に直列に接続され得ることは、同じく、当業者には諒解されよう。

各活性電極４８は、負荷４６に電気接続される誘導コイル５０に電気接続される。活性電極４８は、後で説明するように、誘導コイル５０と共振し、共振電場結合を介して送信機２２から電力を抽出するように構成される。

この実施形態では、受信共振器４４の活性電極４８は、横方向に離隔される。活性電極４８は、同一平面上にある。活性電極４８は、送信共振器２４の活性電極２８に平行である。活性電極４８は、導体である。この実施形態では、導体は、細長くておおむね長方形の平面プレートである。導体は、対向する主面を有する。導体は、銅箔のテープで形成される。

２つの活性電極４８が示されるが、より多くの活性電極４８が使用されてよいことは、当業者には諒解されよう。銅箔のテープが参照されるが、限定はしないが、アルミニウムまたはＰＣＢを含む他の導電材料が使用され得ることは、当業者には諒解されよう。

活性電極２８および４８は、横方向に離隔された、細長くておおむね平面の長方形のプレートとして説明されたが、限定はしないが、同心、同一平面、円形、楕円形、円板などの電極を含む他の構成が可能であることは、当業者には諒解されよう。他の好適な電極構成は、米国特許出願第１４／８４６，１５２号に記載されており、それの関連部分は本明細書に組み込まれる。

図１に示されていないが、他の構成要素が、負荷４６に接続され得る。これらは、限定はしないが、整流器および調整器を含む。

ワイヤレス電力伝達システム２０の構成要素のうちのいくつかは、現在、２０１７年５月１６日に米国特許第９，６５３，９４８号として発行されている、２０１２年９月７日に出願されたＰｏｌｕらの米国特許出願第１３／６０７，４７４号に記載されており、それらの関連部分は本明細書に組み込まれる。

活性電極２８および不活性電極６０が一般的に説明されたが、特定の寸法および構成が、試験およびシミュレーションにおいて使用するためにさらに説明される。次に図２を参照すると、送信共振器２４の活性電極２８の平面図が示される。前述のように、この実施形態では、活性電極２８は同一平面である。活性電極２８は、細長くておおむね長方形の平面プレートである。各プレートは、ｈ＝１００ｍｍの長さとｗ＝５０ｍｍの幅とを有する。プレート間の横方向のすき間は５０ｍｍである。前述のように、不活性電極６０は、活性電極２８と平行である。不活性電極６０と活性電極２８との間の分離は６ｍｍである。送信共振器２４の活性電極２８が示されているが、受信共振器４４の活性電極４８は、同じ寸法を有する。

前述のように、この実施形態では、送信共振器２４の活性電極２８は、受信共振器４４の活性電極４８と平行である。送信共振器２４の活性電極２８と受信共振器４４の活性電極４８との間の分離は７５ｍｍである。この実施形態では、送信共振器２４の活性電極２８は、受信共振器４４の活性電極４８と平行であるが、送信共振器２４の活性電極２８が、受信共振器４４の活性電極と平行でない、他の構成が可能であることは、当業者には諒解されよう。

この実施形態では、不活性電極６０は、幅（ｘ）および長さ（ｙ）を有する。シミュレーションが、上記の寸法を有する活性電極２８および不活性電極６０を用いて行われた。これらのシミュレーションの結果は、図３および図４に示される。図３は、異なる長さ比（ｙ／ｈ）に対する、比（ｘ／（２＊ｗ＋ｇ））と送信共振器２４の自己インピーダンスとの間の関係を示すグラフである。グラフに示す異なる曲線は異なる長さ（ｙ）を有し、それらは、活性電極２８の長さ（ｈ）に対する不活性電極６０の長さ（ｙ）の比として説明文の中に示される。比（ｙ／ｈ）が０．２５から１．００まで増加するにつれて、送信共振器２４の自己インピーダンスは増加するが、この比を（ｙ／ｈ）＝１を超えて増加させても、不活性電極６０が送信共振器２４の自己インピーダンスに与える影響はそれ以上増加しない。比（ｘ／（２＊ｗ＋ｇ））が１以上であるとき、送信共振器２４の自己インピーダンスは、一定のままである。不活性電極６０の長さ（ｙ）が活性電極２８の長さ（ｈ）よりも小さく、かつ不活性電極６０の幅（ｘ）が値（２＊ｗ＋ｇ）よりも小さいとき、不活性電極６０は、送信共振器２４の活性電極２８をもはや包含せず、それゆえ、送信共振器２４の自己インピーダンスは、環境の影響を受けやすい。したがって、不活性電極６０は、活性電極２８の長さ（ｈ）に等しい最小長さ（ｙ）を有する。不活性電極６０は、値（２＊ｗ＋ｇ）に等しい最小幅（ｘ）を有する。したがって、５０ｍｍの幅（ｗ）、５０ｍｍの横方向のすき間（ｇ）、および１００ｍｍの長さ（ｈ）を有する活性電極２８に対して、不活性電極６０の長さ（ｙ）は１００ｍｍであり、不活性電極６０の幅（ｘ）は１５０ｍｍである。

図４は、異なる長さ比（ｙ／ｈ）に対する、不活性電極６０の幅の比（ｘ／（２＊ｗ＋ｇ））とシステム２０のＲＦ効率との間の関係を示すグラフである。システム２０のＲＦ効率は、送信共振器２４と受信共振器４４との間のワイヤレス電力伝達の効率として定義される。ＲＦ効率は、電源２６および負荷４６など、システム２０の中に存在する他の構成要素における非効率性を考慮に入れていない。グラフに示す異なる曲線は異なる長さ（ｙ）を有し、それらは、活性電極２８の長さ（ｈ）に対する不活性電極６０の長さ（ｙ）の比として説明文の中に示される。比（ｙ／ｈ）が０．２５から１．２５まで増加するにつれて、システム２０のＲＦ効率が増加する。図４に示すように、比（ｙ／ｈ）を１．２５を超えて増加させることで、システム２０のＲＦ効率は大幅に増加する。さらに、図４に示すように、不活性電極６０の幅（ｘ）が、活性電極２８の幅（ｗ）の２倍と横方向のすき間との和（２＊ｗ＋ｇ）よりも大きくかつ不活性電極６０の長さ（ｙ）が活性電極２８の長さ（ｈ）よりも大きいとき、システム２０のＲＦ効率は比較的一定のままである。ＲＦ効率は、活性電極２８の長さ（ｈ）よりも大きい長さ（ｙ）と、値（２＊ｗ＋ｇ）よりも大きい幅（ｘ）とを有する不活性電極６０に対して安定する。

図３および図４のグラフに示される関係に基づいて、この実施形態ではシステム２０のＲＦ効率が約８０％を超えるために、および送信共振器２４の自己インピーダンスが約２７００Ω以下になるために、不活性電極６０は、活性電極２８の長さ（ｈ）を超える長さ（ｙ）と、値（２＊ｗ＋ｇ）を超える幅（ｘ）とを有しなければならない。一般に、送信共振器２４の活性電極２８が細長い平行プレートと同一平面上にあり、それにより、それらが図２によって説明され得るとき、効率的な不活性電極６０は、値（２＊ｗ＋ｇ）以上の幅（ｘ）と、活性電極２８の長さ（ｈ）以上の長さ（ｙ）とを有することになる。

システム２０が一般的に説明され、活性電極２８および不活性電極６０に対して特定の寸法が与えられたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。さらに、システム２０の構成要素の特定の値は、試験およびシミュレーションにおいて使用するために与えられる。図２に示す送信共振器２４の活性電極２８の別の実施形態では、活性電極２８の各プレートは、ｈ＝１００の長さとｗ＝３７．５ｍｍの幅とを有する。プレート間の横方向のすき間ｇは２５ｍｍである。さらに、この実施形態では、不活性電極６０は、幅ｘ＝１２０ｍｍと長さｙ＝１２０ｍｍとを有する。受信共振器４４の活性電極４８は、送信共振器２４の活性電極２８と同じ寸法を有する。送信共振器２４の活性電極２８と受信共振器４４の活性電極４８との間の分離距離はＤ＝２０ｍｍである。送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離はＤ１＝２ｍｍである。

さらに、この実施形態では、送信共振器２４のインダクタ３０のインダクタンスは１２．７μＨである。この実施形態では、送信共振器２４は、２５０のＱ値（Ｑ＝２５０）を有する。システム２０の効率は９３％である。システム２０は、Ｚｉｎ＝７０Ωの入力インピーダンスを有する。入力インピーダンスは、送信機２２を調べる（ｌｏｏｋ ｉｎｔｏ）システム２０のインピーダンスである。

前に説明したように、不活性電極６０は、システム２０の必要なインダクタンスを低減する。不活性電極６０をシステム２０から除去することで、必要なインダクタンスの増加がもたらされる。具体的には、この実施形態では、不活性電極６０をシステム２０から除去することで、送信共振器２４のインダクタ３０のインダクタンスが１２．７μＨから６３μＨまで増加することがもたらされる。少なくとも３０の容認可能なＱ値（Ｑ＞３０）を維持するために、６３μＨのインダクタンスを有するインダクタ３０に必要なサイズは、システム２０にとって桁違いである。これは、システム２０が１Ｗ超を伝達している場合に、特に当てはまる。

不活性電極６０が除去されたシステム２０の効率は８８％である。不活性電極６０が除去されたシステム２０は、入力インピーダンスＺｉｎ＝１２．５ｋΩを有する。不活性電極６０が除去されたこの入力インピーダンスＺｉｎは、有意義な電力伝達（＞１Ｗ）に対して大きすぎる。なぜならば、電源２６の出力は、その最大出力電圧によって制限されることになるからである。したがって、定格１．２５の電源２６が、システム２０に給電するために必要である。最も高効率のＲＦ電源（＞８０％の効率、Ｄ級インバータなど）は、１０～１００Ωの範囲で動作するように設計される。それゆえ、これらのＲＦ電源は、そのような大きい入力インピーダンスを有するシステム２０に対して好適ではない。したがって、不活性電極６０は、入力インピーダンスＺｉｎを減少させる。具体的には、この実施形態では、不活性電極６０は、１２．５ｋΩから８０Ωまでシステム２０の入力インピーダンスＺｉｎを減少させる。

活性電極２８および４８ならびに不活性電極６０に対して特定の寸法が与えられたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。次に図５を参照すると、送信共振器２４の活性電極２８、受信共振器４４の活性電極４８、および不活性電極６０の端面図が示される。Ｗ１およびＷ２は、送信共振器２４の活性電極２８の幅を表す。Ｇ１は、送信共振器２４の２つの活性電極２８の間の横方向のすき間を表す。Ｗ３およびＷ４は、受信共振器４４の活性電極４８の幅を表す。Ｇ２は、受信共振器４４の２つの活性電極４８の間の横方向のすき間を表す。Ｄは、送信共振器２４の活性電極２８と受信共振器４４の活性電極４８との間の分離距離を表す。Ｗｓは、不活性電極６０の幅を表す。Ｄ１は、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離を表す。この実施形態では、送信共振器２４の活性電極２８、受信共振器４４の活性電極４８、および不活性電極６０は、すべて平行面の中にある。さらに、この実施形態では、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝Ｗ４＝２インチ（５．０８ｃｍ）、Ｇ１＝Ｇ２＝１インチ（２．５４ｃｍ）、Ｄ＝Ｄ１＝１インチ（２．５４ｃｍ）、ならびに電極（２８、４８および６０）のページの中への長さＬは３３インチ（８３．８２ｃｍ）である。

次に図６を参照すると、不活性電極６０の端面図が示される。送信共振器２４の活性電極２８の平面に平行な平面に対する不活性電極６０の回転角度は、φによって表される。回転角度（φ）は、不活性電極６０の長手方向または幅方向の回転を表す。この実施形態では、回転角度（φ）は、不活性電極６０の長手方向の回転を表す。回転角度（φ）の変化は、後で説明するようなシステムパラメータをもたらす。

動作中、電力は、送信共振器２４の誘導コイル３０を介して電源２６から活性電極２８に伝達される。誘導コイル３０を介して活性電極２８に送信される電源２６からのソース信号は、送信共振器２４を励起して、送信共振器２４に電場を生成させる。この実施形態では、生成された電場は、近接場である。差動電圧が、送信共振器２４の活性電極２８に加えられ、そのことで、周囲環境の中に電場が生成される。受信共振器４４が、生成された電場の中に置かれて送信共振器２４の共振周波数に同調しているとき、受信共振器４４は、共振電場結合を介して送信共振器２４から電力を抽出する。次いで、抽出された電力は、誘導コイル５０を介して受信共振器４４から負荷４６に伝達される。送信共振器２４が磁場を生成するが、あるとしても少ない電力が、磁場結合を介して伝達される。

電力伝達は高度に共振型であるので、送信共振器２４の活性電極２８および受信共振器４４の活性電極４８は、それぞれ、非共振型電気的ワイヤレス電力伝達システムと同様に、ともに接近することまたは十分に整列されることは不要である。

前述のように、不活性電極６０は、送信共振器２４の活性電極２８への環境の影響を低減する役割を果たし、それにより、活性電極２８は、活性電極２８に対して不活性電極６０の他方の側にある実環境にかかわらず、おおむね一定の環境を与えられる。表面電荷は、送信共振器２４によって生成された電場に応答して、不活性電極６０の上に瞬時に誘導される。金属（たとえば、銅およびアルミニウム）、合金（たとえば、鋼および黄銅）、ならびにグラフェンまたは導電性布のような他の導体に対して、電荷消失時間は、１０^－１９ｓ程度である。電場の振動周期は、システム２０の共振周波数が１３．５６ＭＨｚであるとき、約１０^－９ｓである。したがって、電荷消失時間は、電場の振動周期よりも多数桁小さい。したがって、電荷再分布は、瞬時であると考えられ得る。

誘導された表面電荷は、送信共振器２４によって生成された電場を妨げるそれ自体の電場を生成する。なぜならば、それらの存在が表面に平行な電場を中和する高電位の表面上のエリアに、負に帯電した粒子が引き出されるからである。その結果として、活性電極２８に隣接する不活性電極６０の主面の上で働く正味電場は、不活性電極６０の表面に垂直である。したがって、送信共振器２４によって生成された電場は、不活性電極６０において終了し、不活性電極６０を迂回しない。送信共振器２４の活性電極２８に対向する不活性電極６０の導電性表面は、不活性電極６０によって生成された電場に対する境界として働く。それゆえ、不活性電極６０の反対側の環境の変化は、他方の側の電場に影響を及ぼさない。

前述のように、送信共振器２４によって生成された電場は、不活性電極６０の上の表面電荷を誘導する。したがって、不活性電極６０は、不活性電極６０がない活性電極２８から成るキャパシタと比較して、送信共振器２４のキャパシタ５２に追加のキャパシタンスを与える。不活性電極６０の表面における正味電場は、送信共振器２４のキャパシタ５２に対するエネルギー貯蔵媒体として働く。このようにして、送信共振器２４の活性電極２８および不活性電極６０は、活性電極２８だけを含むキャパシタのキャパシタンスよりも大きいキャパシタンスを有するキャパシタ５２を形成する。

活性電極２８および不活性電極６０によって形成されるキャパシタ５２によって与えられる追加のキャパシタンスは、共振周波数において共振するために必要なインダクタンスの量を低減する。前述のように、この実施形態では、送信共振器２４の誘導コイル３０および受信共振器４４の誘導コイル５０は、それぞれ、フェライトコアインダクタである。一般的に使用されるフェライトベースのインダクタは、重く、損失が多く、かつコアの飽和および加熱に起因して電力を制限する。それゆえ、誘導コイル３０および５０の必要なインダクタンスを低減することが望ましい。不活性電極６０によって与えられるキャパシタ５２の追加のキャパシタンスは、各誘導コイル３０および５０に対して必要なインダクタンスを低減する。不活性電極６０が送信共振器２４の活性電極２８に近いほど、送信共振器２４のキャパシタ５２に追加されるキャパシタンスが大きくなり、それゆえ、誘導コイル３０および５０に対して必要なインダクタンスの低減が大きくなる。

しかしながら、前に説明したように、不活性電極６０の上に誘導された表面電荷は、送信共振器２４によって生成された電場に対抗する電場を生成する。不活性電極６０が送信共振器２４の活性電極２８に近いほど、送信共振器２４の活性電極２８によって生成された電場の強度を低減する、対抗する電場は大きくなる。これは、送信共振器２４によって生成された電場の電位範囲を低減し、それゆえ、それは、結合場が弱くなるにつれて、受信共振器４４が送信共振器２４に近くなることを必要とする。

それゆえ、システム２０の設計者は、誘導コイル３０および５０の所望のインダクタンス、送信共振器２４と受信共振器４４との間の所望の距離、ならびに送信共振器２４のキャパシタ５２に追加される所望の追加のキャパシタンスをバランスさせ得る。システム２０が使用されるアプリケーションに応じて、不活性電極６０と送信共振器２４の活性電極２８との間の距離は、所望のインダクタンス、共振器と追加のキャパシタンスとの間の所望の距離を達成するために変更され得る。

さらに、諒解されるように、不活性電極６０と活性電極２８との間の距離は、キャパシタ５２のキャパシタンスと結合場の強度との間の所望のバランスを達成するように選択される。キャパシタ５２のキャパシタンスと結合場の強度との間の所望のバランスは、システム２０の特定のアプリケーションに応じて変更され得る。

不活性電極６０がなければ、送信共振器２４の活性電極２８は、システム２０の重量を２倍にしてシステム２０を実現困難にする場合がある、かさ高いインダクタ３０が追加されない場合、共振周波数において共振するために十分なキャパシタンスを与えられない場合がある。上記で説明したように、送信共振器２４の活性電極２８の近くに不活性電極６０を置くことで、キャパシタンスが増加して必要なインダクタンスが低下する。不活性電極６０を含まないシステム２０と比較して、より小さいインダクタ３０によって、低減されたインダクタンスが与えられ、システム２０の全重が低減され得る。

次に図７および図８を参照すると、動作中のシステム２０の活性電極２８および不活性電極６０の電場図表が示されている。図７および図８は、送信共振器２４によって生成された電場の強度は、不活性電極６０が存在するときに低減されることを示す。図７は、活性電極２８および不活性電極６０によって形成されるキャパシタ５２の正味電場を、２つの対向する双極電場、すなわち送信共振器２４によって生成される電場および不活性電極６０の上で誘導された表面電荷によって生成される対向する電場の和としてモデル化する電場図表である。

図７および図８に示す電場図表は、システム２０の中に不活性電極６０が存在することで、真空で囲まれる双極子と比較して、より弱い強度の双極電場が作成されることを示す。したがって、モデルは、同じく、システム２０の中に不活性電極６０が存在することで、不活性電極６０を含まないシステムと比較して、より弱い強度の双極電場が作成されることを示す。

次に図９を参照すると、システム２０のキャパシタンスの回路図が示される。送信キャパシタ５２（Ｃ_Ｔｘ）の等価キャパシタンスは、受信共振器４４の活性電極４８との共振電場結合に寄与しない送信キャパシタ５２の中で作成されたキャパシタンスである。受信キャパシタ５４（Ｃ_Ｒｘ）の等価キャパシタンスは、送信共振器２４の活性電極２８との共振電場結合に寄与しない受信共振器４４の活性電極４８の間で作成されるキャパシタンスである。送信キャパシタ５２ならびに受信キャパシタ５４のキャパシタンス（それぞれ、Ｃ_ＴｘおよびＣ_Ｒｘ）は、システム２０の共振周波数を低下させる。送信機－受信機ペアの相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）は、送信共振器２４の活性電極２８と受信共振器４４の活性電極４８との間で作成されるキャパシタンスである。相互キャパシタンスは、送信機２２と受信機４２との間の結合に関与し、それゆえ、結合強度を決定する。送信機２２と受信機４２との間の結合係数は（ＣＣ）であり、以下の式によって与えられる。

モーメント法を使用して遂行される電磁シミュレーションが、不活性電極６０が等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）に及ぼす影響を分析した。

モーメント法を使用して遂行される電磁シミュレーションは、不活性電極６０が、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）、受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）、および結合係数（ＣＣ）に及ぼす影響を分析した。Ｄ１、Ｗｓおよびφは、電磁シミュレーションの中で変更された。シミュレーションの結果は、図１０～図１８に示され、以下で説明される。

次に図１０を参照すると、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離（Ｄ１）に対する、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）、および受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）を示すグラフが示される。送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）は、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離（Ｄ１）が０．５インチ（１．２７ｃｍ）から２．５インチ（６．３５ｃｍ）まで増加するにつれて、約２９ｐＦから約１８．５ｐＦまで減少する。対照的に、受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）は、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離（Ｄ１）が０．５インチ（１．２７ｃｍ）から２．５（６．３５ｃｍ）インチまで増加するにつれて、比較的一定のままである。

次に図１１を参照すると、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離（Ｄ１）に対する相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）を示すグラフが、Ｄ＝１に対して示される。分離距離（Ｄ１）が０．５から２．５インチ（１．２７から６．３５ｃｍ）まで増加するにつれて、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）は、約７．７１ｐＦから約７．７９ｐＦまで増加する。

次に図１２を参照すると、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離（Ｄ１）に対する、結合係数（ＣＣ）を示すグラフが示される。分離距離（Ｄ１）が０．５から２．５インチ（１．２７から６．３５ｃｍ）まで増加するにつれて、結合係数（ＣＣ）は、約０．１１５から約０．１９５まで増加する。図１０～図１２に示すデータに対して、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）は５インチ（１２．７ｃｍ）に等しく、回転角度（φ）は０°である。

次に図１３を参照すると、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）に対する、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）、および受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）を示すグラフが示される。不活性電極６０の幅（Ｗｓ）が２．５から５．５インチ（６．３５から１３．９７ｃｍ）まで増加するにつれて、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）は、約２３ｐＦから約２９．５ｐＨまで増加する。対照的に、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）が２．５から５．５インチ（６．３５から１３．９７ｃｍ）まで増加するにつれて、受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）は、約１８ｐＦにおいて比較的一定のままである。

次に図１４を参照すると、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）に対する、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）を示すグラフが示される。幅（Ｗｓ）が２．５から５．５インチ（６．３５から１３．９７ｃｍ）まで増加するにつれて、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）は、約８．０２ｐＦから約７．６０ｐＦまで減少する。

次に図１５を参照すると、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）に対する、結合係数（ＣＣ）を示すグラフが示される。幅（Ｗｓ）が２．５から５．５インチ（６．３５から１３．９７ｃｍ）まで増加するにつれて、結合係数（ＣＣ）は、約０．１６から約０．１１まで減少する。図１３～図１５に示すデータに対して、分離距離（Ｄ１）は１インチ（２．５４ｃｍ）に等しく、回転角度（φ）は０°である。

次に図１６を参照すると、不活性電極６０の回転角度（φ）に対する、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）、および受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）を示すグラフが示される。不活性電極６０が回転して、回転角度（φ）がゼロから離れて両方向に増加および減少するにつれて、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）は、約２１．５ｐＦから約２３．５ｐＦまで増加する。さらに、不活性電極６０が回転して、回転角度（φ）がゼロから離れて両方向に移動するにつれて、受信共振器４４の活性電極４８の間の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）は、約１８．９ｐＦから約１８．８ｐＦまで減少する。送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）は、送信共振器２４の活性電極２８のうちの一方と不活性電極６０との間で増加するキャパシタンスと、送信共振器２４の他方の活性電極２８と不活性電極６０との間で減少するキャパシタンスとによって影響を受ける。

次に図１７を参照すると、不活性電極６０の回転角度（φ）に対する、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）を示すグラフが示される。不活性電極６０が回転して、回転角度（φ）が、ゼロから離れて両方向に移動するにつれて、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）は、約７．８０ｐＦから約７．８９ｐＦまで増加する。約０．０９ｐＦのこの変化は、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）が変更されるときに観測される約０．４２ｐＦの変化よりも小さく、かつ送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０との間の分離距離（Ｄ１）が変更されるときに観測される約０．２６ｐＦの変化よりも小さい。

次に図１８を参照すると、不活性電極６０の回転角度（φ）に対する、結合係数（ＣＣ）を示すグラフが示される。不活性電極６０が回転して、回転角度（φ）がゼロから離れて両方向に移動するにつれて、結合係数（ＣＣ）は、約０．１５８から約０．１４９まで減少する。送信キャパシタ５２の送信等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）の変化は、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）の変化および受信機等価キャパシタンス（Ｃ_Ｒｘ）の変化より支配的であるので、結合係数（ＣＣ）は減少する。送信共振器２４の活性電極２８が、不活性電極６０を回転角度（φ）だけ回転させることを介して不活性電極６０により近く移動していることに起因して、送信キャパシタ５２の等価キャパシタンス（Ｃ_Ｔｘ）は増加している。不活性電極６０が、活性電極２８の間のすき間（Ｇ１）から離れて移動していることに起因して、相互キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）は増加している。図１６～図１８に示すデータに対して、不活性電極６０の幅（Ｗｓ）は５インチ（１２．７ｃｍ）に等しく、分離距離（Ｄ１）は１インチ（２．５４ｃｍ）に等しい。

システム２０の特定の一実施形態が説明されたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。別の実施形態では、システム２０は、不活性電極６０と送信共振器２４の活性電極２８との間に位置する誘電体をさらに含む。誘電体は、不活性電極６０と同じ長さおよび幅を有する。誘電体は、１０ＧＨｚにおいて誘電率３．４８と０．００３７の損失正接とを有する。誘電体は、高い絶縁破壊電圧を有する。高い絶縁破壊電圧を有する誘電体は、アーク放電の可能性を低減する。これは、システム２０が高い電力レベルにおいて動作することを可能にする。誘電体の例には、ガラス繊維および熱可塑性プラスチックが含まれる。熱可塑性プラスチックの例には、ポリエチレンおよびポリプロピレンが含まれる。

不活性電極６０の電位は、それが接地されていないならば、活性電極の電圧の間で浮遊する。送信共振器の活性電極２８は、システム２０の詳細な仕様に応じて、一般的に数百ボルトの電位を有する。この実施形態では、送信共振器の活性電極２８の電位は、約６００Ｖである。電場は、活性電極２８と不活性電極６０との間に生成され、活性電極２８と不活性電極６０とがともに接近するに連れて強度が増す。不活性電極６０と活性電極２８との間のアーク放電を回避するために、システム２０を設計するときに慎重でなければならない。アーク放電は、システム２０の構成要素を破壊し、発火を引き起こすことがある。

アーク放電の可能性は、活性電極２８と不活性電極６０との間の電位差を低下させることによって減少させることができる。この実施形態では、３ｘ１０^６Ｖ／ｍより低い電場は、アーク放電が発生しないことを確実にする。なぜならば、３ｘ１０^６Ｖ／ｍは、おおよその空気に対する誘電体の絶縁破壊電圧であるからである。同じ電力伝達を維持するために、システム２０の電流は増加しなければならない。電流の増加は、システム２０の抵抗損失を増加させる。アーク放電の可能性は、より少ない電力を伝達することによっても減少させることができる。不活性電極６０と送信共振器の活性電極２８との間に位置する誘電体は、活性電極２８と不活性電極６０との間の電位差を低減する。したがって、誘電体は、アーク放電の可能性を低減する。

次に図１９を参照すると、ワイヤレス電力伝達システムの別の実施形態の要素の斜視図が示される。ワイヤレス電力伝達システムは、全体的に、参照番号１２０で識別される。図１９に示すワイヤレス電力伝達システム１２０は、前に説明したワイヤレス電力伝達システム２０と同様であり、したがって、同様の要素は、１００を加えられた同等の参照文字で参照される。システム１２０の送信共振器の活性電極１２８および受信共振器の活性電極１４８ならびに不活性電極１６０が、図１９に示される。システム１２０はさらなる構成要素を含むが、それらは図１９に示されていない。前に説明したように、送信共振器の活性電極１２８および不活性電極１６０は、キャパシタ１５２を形成する。この実施形態では、シミュレーションのために、送信共振器の活性電極１２８は、互いに電気配線され、受信共振器の活性電極１４８は、互いに電気配線される。この実施形態では、各活性電極１２８および１４８は銅から形成されるが、他の金属が可能であることは、当業者には諒解されよう。この実施形態では、送信共振器の共振周波数は、システム１２０の１３．５６ＭＨｚである。この実施形態では、各活性電極１２８および１４８は、５０ｍｍ×２００ｍｍである。送信共振器の活性電極１２８は、受信共振器の活性電極１４８から１００ｍｍである。不活性電極１６０は、４００ｍｍ×６００ｍｍである。

この実施形態では、試験材料１７０のブロックは、活性電極１２８と反対の不活性電極１６０の一方の側に位置する。試験材料１７０のブロックは、システム１２０の動作環境の中に存在し得る異なる媒体を表す。試験材料１７０のブロックは、アルミニウム、コンクリート、乾燥土、湿潤土、水、海水、または木のブロックとして存在する。

前に説明したように、不活性電極６０を含まないワイヤレス電力伝達システムと比較して、不活性電極１６０からの追加のキャパシタンスは、同じく、１３．５６ＭＨｚの共振周波数において動作するためにワイヤレス電力伝達システム１２０の中の誘導コイル（図示せず）の必要なインダクタンスを低減する。この実施形態では、システム１２０の誘導コイルを共振させるために必要なインダクタンスは、４３．２μＨから３９．５μＨまで低減される。

ＣＳＴマイクロウェーブスタジオ（ＣＳＴ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ）ソフトウェアを使用する電磁場シミュレーションが、送信機と受信機との間の長手方向変位の範囲に対して試験材料１７０のブロックの異なる材料に対してシステム１２０の安定性を実証するために実行された。次に図２０および図２１を参照すると、それぞれ、送信機からの受信機の長手方向変位に対する、送信共振器をのぞき込むインピーダンスの大きさおよび位相を示すグラフが示される。図２０と図２１との両方の最初の３つのケースでは、不活性電極１６０は存在せず、材料１７０のブロックは、コンクリート、塩水、および真空である。図２０および図２１の最後の３つのケースでは、不活性電極１６０は存在し、材料１７０のブロックは、コンクリート、塩水、および真空である。

電源は、一般に電力を効率的に所与の負荷インピーダンスに供給するように最適化されているので、送信共振器をのぞき込む一定のインピーダンスが望ましい。送信共振器の入力インピーダンスは、送信共振器と受信共振器との両方の同調、システム１２０の負荷インピーダンス、および送信共振器と受信共振器との間の結合の程度に応じて、動作中に大幅に変動する。不活性電極１６０は、活性電極１２８に影響を与える環境の影響を最小化する。不活性電極１６０は、同じく、追加のキャパシタンスをシステム１２０に与えて、必要なインダクタンスを低減する。

図２０に示すように、不活性電極１６０に対する事例は、試験材料１７０のブロックの試験材料とは無関係に、大きさにおいて全体的に一致している。不活性電極１６０がない場合、送信共振器をのぞき込むインピーダンスの大きさは、大幅に変動する。

次に図２１を参照すると、９０～１８０ｍｍの変位範囲にわたる送信電極１２８と受信電極１４８との間の位相の変化は、不活性電極１６０が存在するときは２０度よりも小さい。しかしながら、不活性電極１６０が存在しないとき、変化は８０度まで高くなる。一般に、すべての位相が適応され得るようにワイヤレス電力伝達システムを設計することは困難であるので、低い位相角が望ましい。

次に図２２を参照すると、システム１２０に対するＲＦ効率が、試験材料１７０のブロックに対する多様な材料とともに示される。試験材料１７０のブロックが存在しないとき、ＲＦ効率は真空として分類される。他の構成では、試験材料１７０のブロックは、アルミニウム、コンクリート、乾燥土、湿潤土、水、海水、または木のブロックとして存在する。システム１２０は、真空において、試験材料に対しておよび送信電極１２８と受信電極１４８との間の１５０ｍｍの変位に対して調整された。

不活性電極１６０を有するシステム１２０は、試験材料１７０のすべてのブロックに対してほとんど一定の８７％のＲＦ効率を有する一方で、不活性電極１６０を有しないシステム１２０は、試験材料１７０のブロックがアルミニウムであるときの５６％から試験材料１７０のブロックが存在しない（図２２で真空として分類される）ときの８９％まで変動するＲＦ効率を有する。

次に図２３を参照すると、システム１２０に対する共振周波数の変化が、試験材料１７０のブロックに対する様々な材料とともに示される。試験材料１７０のブロックが存在しないとき、共振周波数は真空として分類される。試験材料のブロックは、アルミニウム、コンクリート、乾燥土、湿潤土、水、海水、または木のブロックとして存在する。前述のように、システム１２０の共振周波数は１３．５６ＭＨｚである。図２３に示すように、不活性電極１６０がシステム１２０の中に存在しないとき、システム１２０の共振周波数は、試験材料１７０のブロックに応じて変化する。しかしながら、不活性電極１６０がシステム１２０の中に存在するとき、システム１２０の共振周波数は、変化しないで一定である。不活性電極１６０が存在するとき、試験材料１７０のブロックの材料にかかわらず、周波数の変化（Δｆ）はゼロである。不活性電極１６０を有しないシステム１２０の共振周波数は、試験材料１７０のブロックに応じて、１３．５６ＭＨｚから下方の１３．３０ＭＨｚまで変動する。周波数の変化（Δｆ）は、不活性電極１６０が存在しないとき、試験材料１７０のブロックの材料に応じて０ＭＨｚから０．２５ＭＨｚを超えるまで変動する。

活性電極２８および４８ならびに不活性電極６０の特定のサイズおよび形状が説明されたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。活性電極２２８および２４８ならびに不活性電極２６０の別の実施形態が、図２４に示される。

この実施形態では、送信共振器の活性電極２２８は、円環および円板の形の２つの同心電極である。受信共振器の活性電極２４８は、円環および円板の形の２つの同心電極である。不活性電極２６０は、円板電極である。活性電極２２８および２４８ならびに不活性電極２６０は、同一平面上にある。前に説明したように、送信共振器の活性電極２２８および不活性電極２６０は、キャパシタ２５２を形成する。

不活性電極２６０は円板電極として説明されたが、他の構成が可能であることは、当業者には諒解されよう。別の実施形態では、不活性電極２６０は、内部の活性電極の内部半径以下の内部半径を有する円環である。

本出願の目的に対して、同心は、少なくとも以下のうちの１つを含むものとして定義される。（ｉ）２つの電極が共通の中心軸を有する、（ｉｉ）２つの電極が共通の回転中心を有する、（ｉｉｉ）２つの電極が共通の質量中心を有する、（ｉｖ）２つの電極が共通の体積中心を有する、（ｖ）２つの電極が共通の曲率中心を有する、（ｖｉ）２つの電極のうちの外側の電極が２つの電極のうちの内側の電極に外接する、および（ｖｉｉ）外側の電極の外縁をｚ軸方向に伸ばすことによって形成される形状が内側の電極に外接する。

次に図２５を参照すると、送信共振器の活性電極２２８の平面図が示される。前述のように、活性電極２２８は、円環２７０および円板２７２の形を取る２つの同心電極である。円環２７０は、５０ｍｍの外部半径Ｒと３５ｍｍの内部半径Ｒ_ｉｎとを有する。円板２７２は、２５ｍｍの外部半径ｒを有する。したがって、円環２７０と円板２７２との間の距離は１０ｍｍである。この実施形態では、送信共振器の活性電極２２８と受信共振器の活性電極２４８との間のすき間は２４ｍｍである。送信共振器の活性電極２２８と不活性電極２６０との間の分離距離は３ｍｍである。送信共振器の活性電極２２８が示されているが、受信共振器の活性電極２４８は、同じ寸法を有する。

不活性電極２６０は、送信共振器の活性電極２２８を包含するので、不活性電極２６０の半径は、送信共振器の活性電極２２８の円板２７２の外部半径Ｒよりも大きくなければならない。

次に図２６を参照すると、図２４の不活性電極２６０の正規化半径に対する、送信共振器の活性電極２２８の自己インピーダンスを示すグラフが示される。正規化半径は、円環２７０の外部半径Ｒで除された不活性電極２６０の半径である。活性電極２２８のインピーダンスは、不活性電極２６０の半径が外部半径Ｒよりも小さいとき、不活性電極２６０の材料によって影響を及ぼされる。この影響を回避するために、不活性電極２６０の半径は、円環２７０の外部半径Ｒよりも大であるべきである。

次に図２７を参照すると、図２４の不活性電極２６０の正規化半径に対する、活性電極２２８および２４８ならびに不活性電極２６０を含むシステム２０のＲＦ効率を示すグラフが示される。不活性電極２６０の半径が、円環２７０の外部半径Ｒよりも小さいとき、ＲＦ効率は、９０％より下に大幅に低下する。

次に図２８を参照すると、システム２０の中で使用するための活性電極２２８の製造された実装形態の平面図が示される。前述のように、活性電極２２８は、それぞれ、円環２７０および円板２７２の形の２つの同心電極を含む。この製造された実装形態では、円環２７０および円板２７２は、ＰＣＢの上に印刷される。円環２７０は、６５ｍｍの外部半径Ｒと５０ｍｍの内部半径Ｒ_ｉｎとを有する。円板２７２は、３５ｍｍの外部半径ｒを有する。ＰＣＢは、１８０ｍｍ×１８０ｍｍ×１．６ｍｍの寸法を有する。ＰＣＢは、他の点では、取り付け穴を除いて、実質的に特徴がない。

次に図２９を参照すると、活性電極２２８とともに使用するための不活性電極２７４の別の実施形態の斜視図が示される。不活性電極２７４は、図２８に示す円板２７２および円環２７０の反対側に搭載されるように構成される。この実施形態では、不活性電極２７４は、箱の辺が送信共振器の活性電極２２８を支持するような開放箱のような形状である。この実施形態では、箱の辺は、同じく、円板２７２および円環２７０が不活性電極２７４の最大の面の上に持ち上げられるようにＰＣＢの外周を支持する。不活性電極２７４の最大の面は、箱の底である。箱の深さは、５．５ｍｍである。箱の底は、１６０ｍｍ×１６０ｍｍである。

次に図３０を参照すると、異なる試験材料の上に図２９の不活性電極２７４を有するおよび有しないシステム２０の送信共振器のキャパシタ５２のキャパシタンスのグラフが示される。試験材料は、接地されたテーブル、木製のテーブル、静電放電（ＥＳＤ）セーフの床張り、一般的な事務所の床張り、錫の金属板、および発泡スチロールである。キャパシタ５２のキャパシタンスは、Ｒｏｈｄｅ ＆ Ｓｃｈｗａｒｚ ＺＮＢ ４ベクトルネットワークアナライザを用いて測定された。前に説明したように、不活性電極２７４は、追加のキャパシタンスをキャパシタ５２に与える。試験材料が高度に導電性（たとえば、接地されたテーブル、金属板）であるとき、不活性電極２７４を有するおよび有しないキャパシタ５２のキャパシタンスは、同様である。不活性電極２７４は、試験材料の間のキャパシタ５２のキャパシタンスにおける変動を防止する。キャパシタンスの標準偏差は、不活性電極２７４を有しないとき１．４４ｐＦであり、不活性電極２７４を有するとき０．４６ｐＦである。発泡スチロールは空気を含む発泡体（ａｉｒｙ ｆｏａｍ）であるので、発泡スチロール材料は、自由空間キャパシタンスを代表する。

送信共振器２４の２つの活性電極２８に隣接する不活性電極６０を含むシステム２０が説明されたが、他の構成が可能であることは、当業者には諒解されよう。次に図３１を参照すると、ワイヤレス電力伝達システムの別の実施形態が示され、全体的に参照番号３２０で識別される。ワイヤレス電力伝達システム３２０の要素は、特に明記しない限り、前に説明したワイヤレス電力伝達システム２０の要素と同様であり、３００を加えられた同等の参照文字で参照される。しかしながら、図１に示すワイヤレス電力伝達システム２０とは対照的に、ワイヤレス電力伝達システム３２０は、送信共振器３２４の活性電極３２８に隣接する不活性電極６０を含まない。

この実施形態では、受信共振器３４４の活性電極３４８は、不活性電極３８０とともに受信キャパシタ３８２を形成する。特に、受信機３４２は、負荷３４６に電気接続された受信共振器３４４を含む。受信共振器３４４は、受信キャパシタ３８２および２つの誘導コイル３５０を含む。受信キャパシタ３８２は、２つの活性電極３４８および不活性電極３８０を含む。ワイヤレス電力伝達システム２０の不活性電極６０と同様に、不活性電極３８０は、活性電極３４８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために、活性電極３４８を包含するように構成される。不活性電極３８０は、追加のキャパシタンスをシステムに与えて、必要なインダクタンスを低減する。各誘導コイル３５０は、活性電極３４８および負荷３４６に電気接続される。

前に説明したように、活性電極３４８に対して不活性電極３８０の反対側にある実環境にかかわらず、活性電極３４８が全体的に一定の環境を与えられるように、不活性電極３８０は、活性電極３４８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極３４８を包含するように構成される。不活性電極３８０は、同じく、追加のキャパシタンスをシステム３２０に与えて、必要なインダクタンスを低減する。

この実施形態では、不活性電極３８０は、細長い要素を含む。細長い要素は、導電性材料から形成される。細長い要素は、対向する主面を有するおおむね長方形の平面プレートの形である。不活性電極３８０は、活性電極３４８に隣接する。不活性電極３８０は、活性電極３４８を包含する。不活性電極３８０および活性電極３４８は、キャパシタ３８２を形成する。この実施形態では、不活性電極３８０は、活性電極３４８におおむね平行である。活性電極３４８および不活性電極３８０は、おおむね平行面の中にある。

この実施形態では、不活性電極３８０は、接地されない。不活性電極３８０は、絶縁される。

この実施形態では、不活性電極３８０は、非放射である。

この実施形態では、受信共振器３４４の構成要素は、近接場の中で動作するように構成される。それゆえ、不活性電極３８０は、近接場の中で動作するように構成される。

この実施形態では、不活性電極３８０は、電気的に小さい。不活性電極３８０の物理長がλ／１０よりも小さいとき、不活性電極３８０は電気的に小さい。λは、電源からのソース信号の波長である。電源２６によって出力される１３．５６ＭＨｚの周波数を有するソース信号に対して、λは、約２２ｍである。それゆえ、不活性電極３８０は、不活性電極３８０の物理長が約２．２ｍよりも小さいときに、電気的に小さい。

受信共振器３４４は、前に説明したように、共振電場結合を介して生成された電場から電力を抽出するように構成される。

送信共振器２４の２つの活性電極２８に隣接する不活性電極６０を含むシステム２０が説明されたが、他の構成が可能であることは、当業者には諒解されよう。次に図３２を参照すると、ワイヤレス電力伝達システムの別の実施形態が示され、全体的に参照番号４２０で識別される。ワイヤレス電力伝達システム４２０の要素は、特に明記しない限り、前に説明したワイヤレス電力伝達システム２０の要素と同様であり、４００を加えられた同等の参照文字で参照される。

この実施形態では、送信共振器４２４の活性電極４２８は、第１の不活性電極４６０を有するキャパシタ４５２を形成し、受信共振器４４４の活性電極４４８は、第２の不活性電極４８０を有するキャパシタ４８２を形成する。特に、送信機４２２は、電源４２６に電気接続された送信共振器４２４を含む。送信共振器４２４は、２つの活性電極４２８および第１の不活性電極４６０を含む。各誘導コイル４３０は、活性電極４２８および電源４２６に電気接続される。

受信機４４２は、負荷４４６に電気接続された受信共振器４４４を含む。受信共振器４４４は、キャパシタ４８２および２つの誘導コイル４５０を含む。キャパシタ４８２は、２つの活性電極４４８および第２の不活性電極４８０を含む。各誘導コイル４５０は、活性電極４４８および負荷４４６に電気接続される。

ワイヤレス電力伝達システム２０の不活性電極６０と同様に、第１の不活性電極４６０は、活性電極４２８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために、送信共振器４２４の活性電極４２８を包含するように構成され、第２の不活性電極４８０は、活性電極４４８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために、受信共振器４４４の活性電極４４８を包含するように構成される。第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、同じく、追加のキャパシタンスをシステム４２０に与えて、必要なインダクタンスを低減する。

前に説明したように、活性電極４２８に対して第１の不活性電極４６０の反対側にある実環境にかかわらず、活性電極４２８が全体的に一定の環境を与えられるように、第１の不活性電極４６０は、活性電極４２８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極４２８を包含するように構成される。第１の不活性電極は、追加のキャパシタンスをシステムに与えて、必要なインダクタンスを低減する。同様に、前に説明したように、活性電極４４８に対して不活性電極４８０の反対側にある実環境にかかわらず、活性電極４４８が全体的に一定の環境を与えられるように、第２の不活性電極４８０は、受信共振器４４４の活性電極４４８に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極４４８を包含するように構成される。第２の不活性電極は、追加のキャパシタンスをシステムに与えて、必要なインダクタンスを低減する。

この実施形態では、第１および第２の不活性電極４６０および４８０の各々は、細長い要素を含む。細長い要素は、導電性材料から形成される。細長い要素は、対向する主面を有するおおむね長方形の平面プレートの形である。第１の不活性電極４６０は、送信共振器４２４の活性電極４２８に隣接する。第２の不活性電極４８０は、受信共振器４４４の活性電極４４８に隣接する。第１の不活性電極４６０は、送信共振器４２４の活性電極４２８を包含する。第２の不活性電極４８０は、受信共振器４４４の活性電極４４８を包含する。第１の不活性電極４６０および送信共振器４２４の活性電極４２８は、キャパシタ４５２を形成する。第２の不活性電極４８０および受信共振器４４４の活性電極４４８は、キャパシタ４８２を形成する。この実施形態では、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、活性電極４２８および４４８におおむね平行である。活性電極４２８および４４８ならびに第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、おおむね平行面の中にある。

この実施形態では、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、接地されない。第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、絶縁される。

この実施形態では、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、非放射である。

この実施形態では、送信共振器４２４および受信共振器４４４の構成要素は、近接場の中で動作するように構成される。

この実施形態では、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、電気的に小さい。各不活性電極４６０および４８０の物理長がλ／１０よりも小さいとき、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、電気的に小さい。λは、電源からのソース信号の波長である。１３．５６ＭＨｚの周波数を有するソース信号に対して、λは、約２２ｍである。それゆえ、第１および第２の不活性電極４６０および４８０の物理長が約２．２ｍよりも小さいとき、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、電気的に小さい。

この実施形態では、送信共振器４２４の共振周波数は、１３．５６ＭＨｚである。この実施形態では、各活性電極４２８および４４８は、５０ｍｍ×２００ｍｍである。送信共振器４２４の活性電極４２８は、受信共振器４４４の活性電極４４８から１００ｍｍである。第１および第２の不活性電極４６０および４８０の各々は、４００ｍｍ×６００ｍｍである。

前に説明したように、第１および第２の不活性電極４６０および４８０を含まないワイヤレス電力伝達システムと比較して、第１および第２の不活性電極４６０および４８０からの追加のキャパシタンスは、１３．５６ＭＨｚの共振周波数において動作するために送信機４２２と受信機４４２との両方の中の誘導コイル４３０および４５０に対して必要なインダクタンスを低減する。この実施形態では、ワイヤレス電力伝達システム４２０の誘導コイル４３０および４５０のインダクタンスは、４３．２μＨから３９．５μＨまで低減される。

第１および第２の不活性電極４６０および４８０の一実施形態が説明されたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。次に図３３を参照すると、第１および第２の不活性電極４６０および４８０ならびに受信共振器４４４の活性電極４４８の要素の斜視図が示される。送信共振器４２４の活性電極４２８は、存在するが示されていない。

この実施形態では、活性電極４２８および４４８はそれぞれ、１００ｍｍに等しい長さ（ｈ）と３７．５ｍｍに等しい幅（ｗ）とを有する。不活性電極４６０および４８０はそれぞれ、１１０ｍｍに等しい長さ（ｙ）と１１０ｍｍに等しい幅（ｘ）とを有する。送信共振器４２４の活性電極４２８の間の横方向のすき間（ｇ）は、受信共振器４４４の活性電極４４８の間の横方向のすき間に等しく、２５ｍｍに等しい。送信共振器４２４の活性電極４２８と第１の不活性電極４６０との間の分離距離（Ｄ１）は、２ｍｍに等しい。送信共振器４２４の活性電極４２８と受信共振器４４４の活性電極４４８との間の分離距離（Ｄ）は、２０ｍｍに等しい。不活性電極４６０および４８０が存在するとき、各共振器のインダクタンスは、１２．６μＨである。システム４２０の効率は、８８％である。不活性電極４６０および４８０が存在しないとき、各共振器のインダクタンスは、１２．７μＨである。

この実施形態では、第１および第２の不活性電極４６０および４８０は、それぞれ、各不活性電極４６０および４８０の縁部に対しておよび／または外周に沿って付された放散性材料をさらに含む。放散性材料は、それぞれの活性電極と反対側の不活性電極の面の上のそれぞれの不活性電極に付される。不活性電極４６０および４８０の縁部および隅部は、漂遊電場を介して、高い電場強度のソースであり得る。これらの漂遊電場は、電磁干渉を引き起こす場合がある。不活性電極４６０および４８０の縁部の上のおよび／または外周に沿った放散性材料は、不活性電極４６０および４８０から発散する漂遊電場を抑圧する。

各不活性電極４６０および４８０に付される放散性材料は、１０^－６Ｓ／ｍと１０^－１２Ｓ／ｍとの間の伝導率を有する。伝導率のこの範囲は、電場エネルギーの理想的吸収を提供する。この範囲の下では、誘導される電流は、わずかな抵抗しか受けず、それゆえ、わずかなエネルギーしか失われない。この範囲の上では、電荷による誘導電流は、放散性材料の抵抗によって阻まれ、それゆえ、少量のエネルギーだけが消散する。漂遊電場の閉じ込めは、安全および電磁干渉（ＥＭＩ）の目的に対して望ましい。放散性材料の例には、炭素添加物入りプラスチックおよび炭素繊維が含まれる。放散性材料は、送信共振器４２４の活性電極４２８に対向する不活性電極４６０、および受信共振器４４４の活性電極４４８に対向する不活性電極４８０の面の上に位置するので、放散性材料は、システム４２０の効率に影響を及ぼさない。

この実施形態では、第１の放散性材料４９０は第１の不活性電極４６０に付され、第２の放散性材料４９２は第２の不活性電極４８０に付される。第１の放散性材料４９０は、送信共振器４２４の活性電極４２８と反対側の第１の不活性電極４６０に隣接して置かれるプラスチック板である。第２の放散性材料４９２は、受信共振器４４４の活性電極４４８と反対側の第２の不活性電極４８０に隣接して置かれるプラスチック板である。両プラスチック板は、同一の寸法を有する。各プラスチック板は、１２１ｍｍ（長さ）×１２１ｍｍ（幅）×１ｍｍ（厚さ）の寸法を有する。

次に図３４～図３６を参照すると、ワイヤレス電力伝達システム４２０から発する電場の等高線図が示される。等高線図は、キャパシタ４５２および４８２の対角線に沿って取られた断面図であり、断面は不活性電極４６０および４８０に垂直である。等高線図の上の尺度の単位はｄＢＶ／ｍであり、各等高線の増分は２．５ｄＢＶ／ｍである。

図３４は、第１および第２の放散性材料４９０および４９２が存在しないときの、ワイヤレス電力伝達システム４２０から発する電場の等高線図である。

図３５は、第１および第２の放散性材料４９０および４９２が存在し、放散性材料４９０および４９２がプラスチック板であるときの、ワイヤレス電力伝達システム４２０から発する電場の等高線図である。

図３６は、第１および第２の放散性材料４９０および４９２が存在し、放散性材料４９０および４９２がプラスチック板であるときの、ワイヤレス電力伝達システム４２０から発する電場の等高線図である。プラスチック板の伝導率は、０（完全絶縁体）から１０^－８Ｓ／ｍまで増加した。この伝導率において、プラスチック板は消散的になり、ＲＦエネルギーを容易に吸収する。明らかに、図３４および図３５の等高線図の中に存在する漂遊電場と比較して、消散的プラスチック板の追加によって、漂遊電場はより効率的に抑圧される。

共振器の特定の一実施形態が説明されたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。別の実施形態では、共振器は、１つのキャパシタと単一の誘導コイルとを含む。キャパシタは、２つの活性電極と、活性電極に隣接する１つの不活性電極とを含む。不活性電極は、活性電極に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極を包含するように構成される。不活性電極は、追加のキャパシタンスをシステムに与えるように構成される。不活性電極は、共振を達成するために必要なインダクタンスを低下させるように構成される。誘導コイルは、活性電極に電気接続される。この実施形態では、誘導コイルは、活性電極に対して、不活性電極の反対側に位置する。誘導コイルは、不活性電極の中の穴を通過する１つまたは複数の配線を介して活性電極に電気接続される。不活性電極の中の穴は、配線の半径よりも大きい。穴は、誘導コイルおよび活性電極を接続する配線の半径の１０倍よりも大きくない。

別の実施形態では、穴は、絶縁材料で充填される。

別の実施形態では、活性電極を誘導コイルと接続する配線は、絶縁される。穴は、活性電極を誘導コイルと接続する配線の周りに絶縁体を収容するように寸法を決められる。

別の実施形態では、コイルと活性電極とを接続する配線は、不活性電極の周りに伸びる。

ワイヤレス電力伝達システム２０のキャパシタ５２の特定の一実施形態が説明されたが、変形形態が可能であることは、当業者には諒解されよう。次に図３７を参照すると、キャパシタ４９４の別の実施形態が示される。一般に、キャパシタ４９４は、不活性電極６０と送信共振器２４の活性電極２８との間の分離距離を制御するように構成される。

この実施形態では、前に説明したように、キャパシタ４９４は、送信共振器２４の活性電極２８と不活性電極６０とを含み、活性電極２８が上に付される基板４９６と、基板４９６と不活性電極６０との間に伸びるアクチュエータ４９８および２つの（２）伸縮式支持物４９９と、マイクロコントローラとをさらに含む。

基板４９６は、システム２０の送信共振器２４と受信共振器４４との間のワイヤレス電力伝達に影響を与えないように構成される。活性電極２８は、基板４９６に付され、基板４９６は、活性電極２８の間に伸びる。各活性電極２８の主面は、基板４９６に付される。この実施形態では、基板４９６は、プラスチックである。他の実施形態では、基板４９６は、ガラス繊維、セラミック、および発泡スチロールのうちの１つである。別の実施形態では、基板４９６は、プリント基板である。基板４９６は、少なくとも活性電極２８の外周にまたがる細長くて硬い部材である。基板４９６は、不活性電極６０と同様の寸法を有する。基板４９６は、ｘ－ｙ軸において不活性電極６０に平行である。ｘ軸およびｙ軸は、互いに対して、ならびに不活性電極６０および基板４９６の主面の法線ベクトルに対して直角である。

不活性電極６０は、基板４９６から離隔される。アクチュエータ４９８は、この空間の中にあって、不活性電極６０および基板４９６によって画定されるｘ－ｙ軸において不活性電極６０と基板４９６との両方のほぼ中心にある点において、不活性電極６０と基板との間に伸びる。アクチュエータ４９８は、基板４９６の主面に、および不活性電極６０の主面に付される。この実施形態では、アクチュエータ４９８はモータである。別の実施形態では、アクチュエータ４９８は圧電デバイスである。

２つの（２）伸縮式支持物４９９は、不活性電極６０と基板４９６との間の空間の中にある。各伸縮式支持物４９９は、基板４９６の主面に、および不活性電極６０の主面に付される。伸縮式支持物４９９は、一般に、基板４９６および不活性電極６０の対向端部に位置する。伸縮式支持物４９９は、アクチュエータ４９８から等距離にある。伸縮式支持物４９９は、伸びて、それにより不活性電極６０と送信共振器２４の活性電極２８との間の分離距離を増加するように、かつ縮んで、それにより不活性電極６０と送信共振器２４の活性電極２８との間の分離距離を減少するように構成される。２つの（２）伸縮式支持物４９９が説明されるが、より多くが含まれてよいことは、当業者には諒解されよう。

この実施形態では、アクチュエータ４９８の作動は、マイクロコントローラ（図示せず）によって制御される。マイクロコントローラは、アクチュエータ４９８を制御するためにソフトウェアによってプログラマブルである。マイクロコントローラは、アクチュエータ４９８からリモートに配置され、ブルートゥース（登録商標）またはＷｉＦｉ（登録商標）など、従来の通信方法を介してアクチュエータ４９８と通信する。

使用中、アクチュエータ４９８は、不活性電極６０と活性電極２８との間の分離距離を増加するように、または不活性電極６０と活性電極２８との間の分離距離を減少するように作動される。アクチュエータ４９８が分離距離を増加または減少させるとき、伸縮式支持物４９９は伸びまたは縮み、それにより、分離距離は、活性電極２８および不活性電極６０の全スパンに沿って均一に増加または減少する。

前述のように、アクチュエータ４９８の作動は、マイクロコントローラによって制御される。別の実施形態では、アクチュエータ４９８の作動は、手動で制御される。別の実施形態では、マイクロコントローラは、不活性電極６０と活性電極２８との間の分離距離および電場の強度のうちの少なくとも１つを検出するセンサから入力を受信する。

前述のように、キャパシタ４９４は、不活性電極６０と送信共振器２４の活性電極２８との間の分離距離を制御するように構成される。前述のように、不活性電極６０と活性電極２８との間の分離距離を減少することで、送信共振器２４によって生成される電場の電位範囲が低減され、そのことで、送信共振器２４と受信共振器４４との間の距離が維持されるならば電力伝達効率は減少する。さらに、不活性電極６０と活性電極２８との間の分離距離を減少することで、キャパシタ４９４に追加されるキャパシタンスが増加して、システム２０の必要なインダクタンスが減少する。キャパシタ４９４に追加されるキャパシタンスを変えることによってシステム２０のキャパシタンスを変えることで、送信共振器２４の共振周波数が同調させられる。

マイクロコントローラは、電力伝達効率、不活性電極６０によってシステム２０に与えられる追加のキャパシタンス、および不活性電極６０と活性電極２８との間の分離距離を変えることによるシステム２０の必要なインダクタンスの減少を制御し、それによりこれらのパラメータの間に所望のバランスが達成され得るようにプログラムされる。さらに、マイクロコントローラは、送信共振器２４の共振周波数を同調させるために、分離距離を変化させることによってシステム２０のキャパシタンスを制御することができる。

説明した様々なワイヤレス電力伝達システム２０、１２０、３２０および４２０は、多様なアプリケーションにおいて採用され得ることは、当業者には諒解されよう。たとえば、一アプリケーションでは、ワイヤレス電力伝達システム２０は、自立走行車のバッテリを充電することに関連して採用される。自立走行車は、ロボットローンモアなど、監視およびロボット労働のために、農業、ゴルフコース維持管理、および家事において使用される。このアプリケーションでは、送信機２２は、土または地面の中に配置され、自立走行車のバッテリを再充電するために使用される。送信機２２は、土または地面の材料が、不活性電極６０と活性電極２８との間に位置しないように、土または地面の中に配置される。さらに、送信機２２は、土または地面の材料が、活性電極２８に直接隣接しないように、土または地面の上に配置される。自立走行車は、受信機４２を含む。

土の上の送信機２２と自立走行車の中の受信機４２との間の電力のワイヤレス伝達は、自立走行車がユーザ入力なしに再充電されることを可能にする。送信機２２が土の中または上に配置されるとき、前に説明したように、土の誘電特性が、送信機２２と受信機４２との間の電力の電力伝達に影響を与えることがある。同様に、送信機２２が地面の中に配置されるとき、送信機２２と受信機４２との間の電力伝達は、環境の影響によって影響を受ける場合がある。受信機４２と反対側に送信共振器２４の活性電極２８に隣接して不活性電極６０を配置することで、活性電極２８に影響を与える環境の影響が少なくとも部分的に除外され、追加のキャパシタンスが与えられて、システムの必要なインダクタンスが低減される。

したがって、不活性電極の例示的な一アプリケーションが提供される。自立走行車の正面図を、図３８に示す。自立走行車は、全体的に、参照番号５００で識別される。自立走行車５００は、車両５００を推進するように構成された推進システム、推進システムに給電するように構成された電力システム、環境情報（障害物、バーコード、ＱＲコード（登録商標）、色など）を検出するように構成された一連の（タッチ、光学などの）センサ、および所定の１つまたは複数の目標を達成するために推進システムおよび電力システムを制御するためにセンサからの情報を処理するように構成された制御システムを含む。推進システムは、２つ以上の車輪に接続されたモータを含む。電力システムは、バッテリの形の負荷に電気接続された受信共振器を含む。

推進システムは、限定はしないが、軌道（ｔｒａｃｋ）および／またはアクチュエータなどの他の構成要素を含んでもよいことは、当業者には諒解されよう。

受信共振器は、１つのキャパシタおよび２つの誘導コイルを含む。キャパシタは、誘導コイルに直列に電気接続された２つの活性電極５０２を含む。誘導コイルは、負荷に電気接続される。受信機は、前に説明したように、ワイヤレス共振電場結合を介して送信機から電力を抽出するように構成される。送信機は、電源に電気接続された送信共振器を含む。送信共振器は、１つのキャパシタおよび２つの誘導コイルを含む。誘導コイルは、電源に電気接続される。キャパシタは、２つの活性電極５０４と、自立走行車５００の反対側に送信共振器の活性電極５０４に隣接して配置された１つの不活性電極５０６とを含む。誘導コイルは、活性電極５０４に直列に電気接続される。送信共振器は、前に説明したように、電場を生成し、共振電場結合を介して受信機に電力を伝達するように構成される。前に説明したように、活性電極２８が、土の条件（または他の基板）に無関係に全体的に一定の環境を与えられるように、不活性電極５０６は、活性電極５０４に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極５０４を包含するように構成される。不活性電極５０６は、前に説明したように、追加のキャパシタンスを送信共振器のキャパシタに与える。不活性電極５０６は、前に説明したように、共振周波数において共振するために必要なインダクタンスの量を低減する。この実施形態では、自立走行車５００は、自動同調回路を含有せず、そのことで、コストが低減され、より多くの電力が負荷に分配されることが可能になる。

この実施形態では、不活性電極５０６は、接地されない。不活性電極５０６は、絶縁される。

この実施形態では、不活性電極５０６は、非放射である。

この実施形態では、不活性電極５０６は、電気的に小さい。不活性電極５０６の物理長がλ／１０よりも小さいとき、不活性電極５０６は電気的に小さい。λは、電源からのソース信号の波長である。１３．５６ＭＨｚの周波数を有するソース信号に対して、λは約２２ｍである。それゆえ、不活性電極５０６は、不活性電極５０６の物理長が約２．２ｍよりも小さいときに、電気的に小さい。

動作中、電力は、誘導コイルを介して電源から送信共振器の活性電極５０４に伝達される。誘導コイルを介して活性電極５０４に送信される電源からのソース信号は、送信共振器を励起して、送信共振器に電場を生成させる。この実施形態では、生成された電場は、近接場である。差動電圧が、送信共振器の活性電極５０４に加えられ、そのことで、周囲環境の中に電場が生成される。受信共振器が、生成された電場の中に置かれて送信共振器の共振周波数に同調させられるとき、受信共振器は、共振電場結合を介して送信共振器から電力を抽出する。次いで、抽出された電力は、受信共振器から受信共振器に電気接続された負荷に伝達される。送信共振器が磁場を生成することがあるが、あるとしても少ない電力が、磁場結合を介して伝達される。

次に図３９を参照すると、不活性電極５０６が存在するとき、図３８の送信機と受信機との間の電力伝達に対する誘電率および損失正接（誘電率の実部に対する虚部の比）の範囲に対する誘電特性に対する、ＲＦ効率を示す表が示される。図３９に明確に示すように、ＲＦ効率は、不活性電極５０６が存在するとき、全体的に均一である。さらに、誘電特性の全範囲に対してＲＦ効率の変動は５％未満である。ＲＦ効率の変動は低く、それにより、ＲＦ効率の勾配は、全体的に認められない。誘電率の範囲は、多様な土の条件ならびに木、アスファルトおよびプラスチックなどの他の表面を表す。

次に図４０を参照すると、不活性電極５０６が存在しないとき、図３８の送信機と受信機との間の電力伝達に対する誘電率の範囲に対する誘電特性に対する、ＲＦ効率を示す表が示される。図３９の表と比較すると、図４０の中では、ＲＦ効率が９０％未満である領域が大きい。誘電率の範囲は、多様な土の条件ならびに木およびプラスチックなどの他の表面を表す。

次に図４１を参照すると、不活性電極５０６が存在するとき、図３８の送信機と受信機との間の電力伝達に対する誘電率および損失正接（誘電率の実部に対する虚部の比）の範囲に対する誘電特性に対する、電源から見たインピーダンスの位相を示す表が示される。図４１に明確に示すように、インピーダンスの位相は、不活性電極５０６が存在するとき、全体的に低い（＜７°）。電源は、特に高電力に対して、低い位相を有するインピーダンスを見ることを好み、所定の値（たとえば１０）を超える位相に対して自動的に遮断する場合がある。誘電率の範囲は、多様な土の条件ならびに木、アスファルトおよびプラスチックなどの他の表面を表す。

次に図４２を参照すると、不活性電極５０６が存在しないとき、図３８の送信機と受信機との間の電力伝達に対する誘電率の範囲に対する誘電特性に対する、電源から見たインピーダンスの位相を示す表が示される。図４１の表と比較すると、図４２の中の誘電特性の大部分は、２５よりも大きい位相角を有するインピーダンスを有し、それにより、電源は、好ましくないインピーダンスを与えられる。誘電率の範囲は、多様な土の条件ならびに木およびプラスチックなどの他の表面を表す。

諒解されるように、不活性電極５０６は、受信共振器が送信共振器の共振周波数に再同調させられる必要なしに、送信機が、種々のタイプの床張り、舗道およびコンクリートなど、多様な基板の上で一貫して動作するのに十分にロバストであることを確実にする。

１つのアプリケーションが説明されたが、他のアプリケーションが可能であることは、当業者には諒解されよう。ワイヤレス電力伝達システム２０、１２０、３２０および４２０は、自立走行車以外の他のアプリケーションにおいて採用され得る。たとえば、ワイヤレス電力伝達システム３２０は、ＵＡＶにおいて採用され得る。次に図４３～図４５を参照すると、本開示の一態様によるＵＡＶが示される。ＵＡＶは、全体的に、参照文字１０００として識別される。ＵＡＶ１０００は、前に説明したワイヤレス電力伝達システム３２０を採用する。ＵＡＶ１０００は、支持構造、支持構造に搭載されてＵＡＶ１０００の揚力および推力を与えるように構成された推進システム、支持構造に搭載されて推進システムに給電するように構成された電力システム、および支持構造に搭載されて推進システムおよび電力システムを制御するように構成された制御システムを含む。

この実施形態では、支持構造は、１つのフレーム１００２と４つの腕１００４とを含む。フレーム１００２は硬い。各腕１００４は、フレーム１００２に結合される。各腕１００４は、フレーム１００２から伸びる。腕１００４は、互いに全体的に等距離に離隔される。より多いまたは少ない腕１００４が使用され得ることは、当業者には諒解されよう。

この実施形態では、推進システムは、４つのモータ１００６と４つのプロペラ１００８とを含む。各モータ１００６は、フレーム１００２の反対側の腕１００４の終端に付される。各モータ１００６は、可変推力制御のための電子速度コントローラ（ＥＳＣ）を有するブラシレスｄｃ（ＢＬＤＣ）モータである。各プロペラ１００８は、それぞれのモータ１００６の駆動端部に接続される。この実施形態では、各プロペラ１００８は、円形のケーシングの中に入れられた２８ｃｍ長の二枚羽根プロペラである。

電力システムは、バッテリ１０１２に電気接続された受信共振器１０１０と、ケーシング１０１４と、受信機ボード１０１６とを含む。受信共振器１０１０およびバッテリ１０１２は、ケーシング１０１４の中に含有される。バッテリ１０１２は、充電可能である。ケーシング１０１４は、絶縁材料である。ケーシング１０１４は、それが、ＵＡＶ１０００への電力伝達に大きな影響を与えないように、十分に薄い。

次に図４５を参照すると、ＵＡＶ１０００の図が、ケーシング１０１４が部分的に除去された状態で示される。受信共振器１０１０は、１つのキャパシタ１０２０および２つの誘導コイル１０２２を含む。キャパシタ１０２０は、２つの活性電極１０２４と、活性電極１０２４に隣接する１つの不活性電極１０２６とを含む。不活性電極１０２６は、活性電極１０２４を包含するように構成される。不活性電極１０２６は、活性電極１０２４に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外して、追加のキャパシタンスをシステムに与え、所望の共振周波数において受信共振器を共振させるために必要なインダクタンスを低減する。不活性電極１０２６は、後で説明するように、活性電極１０２４に対して電場源の反対側にある。不活性電極は、活性電極から７．４ｍｍ離れている（Ｄ１）。誘導コイル１０２２は、活性電極１０２４に直列に電気接続される。受信共振器１０１０は、共振電場結合を介して生成された電場から電力を抽出するように構成される。この実施形態では、誘導コイル１０２２は、フェライトコアインダクタである。他のタイプの誘導コイルが可能であることは、当業者には諒解されよう。２つの誘導コイル１０２２が示されているが、１つまたは複数の誘導コイルが採用されてよいことは、当業者には諒解されよう。

受信機ボード１０１６は、共振電場結合を介して受信共振器１０１０によって抽出された電力を安定化ＤＣ電力に変換する整流器を含む。安定化ＤＣ電力は、バッテリ１０１２を充電する。受信機ボード１０１６は、ワイヤレスデータ送信機をさらに含む。ワイヤレスデータ送信機は、テレメトリデータを送信機にワイヤレスに送信する。テレメトリデータは、受信共振器１０１０における電圧および電流を含む。テレメトリデータの送信は、受信共振器１０１０によって抽出された電力のトラッキングを可能にする。受信共振器１０１０によって抽出された電力をトラッキングすることは、バッテリ１０１２の一貫した充電速度を維持して持続するために使用される。

次に図４６および図４７を参照すると、ＵＡＶ１０００のキャパシタ１０２０が、単独で示される。前述のように、キャパシタ１０２０は、２つの活性電極１０２４および１つの不活性電極１０２６を含む。この実施形態では、受信共振器１０１０の活性電極１０２４は、横方向に離隔される。活性電極１０２４は、導電性材料から形成される。２つの活性電極１０２４が示されるが、より多くの電極が使用されてよいことは、当業者には諒解されよう。

各活性電極１０２４は、電極プレート１０５０と電極プレート１０５０から斜めに伸びる腕１０５２とを含む。腕１０５２は、１つの中心プレート１０５４と２つの側壁１０５６とを有する。各側壁１０５６は、中心プレート１０５４の長手方向の辺から伸びる。各側壁１０５６は、中心プレート１０５４に対して約１３５°の角度で中心プレート１０５４から伸びる。

不活性電極１０２６は、活性電極１０２４を包含する。この実施形態では、不活性電極１０２６は、全体的に、活性電極１０２４と受信機ボード１０１６との間に位置する。不活性電極１０２６は、不活性電極プレート１０６０と筐体１０６２とを含む。不活性電極プレート１０６０は、筐体１０６２に取り付けられる。この実施形態では、不活性電極プレート１０６０は、平面プレートである。不活性電極プレート１０６０は、金属プレートである。筐体１０６２は、バッテリ１０１２を含有するようにサイズを決められる。筐体１０６２は、金属筐体である。バッテリ１０１２は、不活性電極１０２６の筐体１０６２の中に搭載される。

不活性電極１０２６は、平面の不活性電極プレート１０６０を含むように示されるが、他の構成が可能であることは、当業者には諒解されよう。たとえば、不活性電極プレート１０６０は、平面ではなくてよく、依然としてＵＡＶ１０２２の活性電極１０２４を包含し得る。

この実施形態では、不活性電極１０２６は、接地されない。不活性電極１０２６は、絶縁される。

この実施形態では、不活性電極１０２６は、非放射である。

この実施形態では、不活性電極１０２６は、近接場の中で動作するように構成される。

この実施形態では、不活性電極１０２６は、電気的に小さい。不活性電極１０２６の物理長がλ／１０よりも小さいとき、不活性電極１０２６は電気的に小さい。λは、電源からのソース信号の波長である。１３．５６ＭＨｚの周波数を有するソース信号に対して、λは約２２ｍである。それゆえ、不活性電極１０２６は、不活性電極１０２６の物理長が約２．２ｍよりも小さいときに、電気的に小さい。

不活性電極１０２６は、活性電極１０２４に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために活性電極１０２４を包含するように構成され、それにより、活性電極１０２４に対して不活性電極１０２６の反対側にある実環境にかかわらず、活性電極１０２４が全体的に一定の環境を与えられて、追加のキャパシタンスをシステムに与え、所望の周波数においてシステムを共振させるために必要なインダクタンスを低減する。

この実施形態では、不活性電極１０２６と活性電極１０２４との間の最小分離距離（ＤＳ）は、７．４ｍｍに等しい。

前述のように、表面電荷は、受信共振器１０１０によって遭遇させられる電場に応答して、不活性電極１０２６の上に誘導される。金属（たとえば、銅およびアルミニウム）、合金（たとえば、鋼および黄銅）、およびグラフェンまたは導電性布のような他の導体に対して、電荷消失時間は、１０－^１９ｓ程度である。電場の振動周期は、共振周波数が１３．５６ＭＨｚであるとき、約１０^－９秒である。したがって、電荷消失時間は、電場の振動周期よりも多数桁小さい。したがって、電荷再分布は、瞬時であると考えられ得る。

誘導された表面電荷は、受信共振器１０１０によって遭遇させられる電場を妨げるそれ自体の電場を生成する。なぜならば、それらの存在が表面に平行な電場を中和する高電位の表面上のエリアに、負に帯電した粒子が引き出されるからである。その結果として、不活性電極１０２６の表面に働く正味電場は、不活性電極１０２６の表面に垂直である。したがって、受信共振器１０１０によって抽出された電場は、不活性電極１０２６において終了し、不活性電極１０２６を迂回しない。活性電極１０２４の反対側にある不活性電極１０２６の導電性表面は、不活性電極１０２６によって生成された電場に対する境界として働く。それゆえ、不活性電極１０２６の反対側の環境の変化は、他方の側の電場に影響を及ぼさない。

前に説明したように、不活性電極１０２６の上に誘導された表面電荷は、追加のキャパシタンスをＵＡＶ１０００に与える。不活性電極１０２６の表面における正味電場は、ＵＡＶ１０００に対するエネルギー貯蔵媒体として働く。このようにして、活性電極１０２４および不活性電極１０２６は、活性電極１０２４だけを含むキャパシタのキャパシタンスよりも大きいキャパシタンスを有するキャパシタ１０２０を形成する。キャパシタ１０２０として機能する不活性電極１０２６および活性電極１０２４は、共振周波数において共振するために必要なインダクタンスの量を低減する。

前述のように、この実施形態では、受信共振器１０１０の誘導コイル１０２２は、フェライトコアインダクタである。一般的に使用されるフェライトベースのインダクタは、重く、損失が多く、かつコアの飽和および加熱に起因して電力を制限する。それゆえ、ＵＡＶ１０００の必要なインダクタンスを低減することが望ましい。不活性電極１０２６からの追加のキャパシタンスは、各誘導コイル１０２２に対して要求されるインダクタンスを低減する。ＵＡＶ１０００のシミュレーションは、ＵＡＶ１０００の不活性電極１０２６が、４．５ｐＦから８．０ｐＦまで約７９％だけＵＡＶ１０００のキャパシタンスを増加させることを示した。

次に図４８を参照すると、部分的ワイヤレス電力伝達システムが示される。ワイヤレス電力伝達システムは、ＵＡＶ１０００と電場源とを含む。ＵＡＶ１０００のキャパシタ１０２０は、電場源とともに図４８に示される。この実施形態では、電場源は、送信機１０７０の形を取る。送信機１０７０は、送信共振器を含む。送信共振器は、２つの活性電極１０７２と活性電極１０７２に電気接続された２つの誘導コイル（図示せず）とを含む。活性電極１０７２は、誘導コイルに直列に電気接続される。活性電極は、横方向に離隔される。活性電極１０７２は、同一平面上にある。活性電極１０７２は、導体である。この実施形態では、導体は、細長くておおむね長方形の平面プレートである。導体は、銅箔のテープから形成される。２つの活性電極１０７２が示されるが、より多くの活性電極１０７２が使用されてよいことは、当業者には諒解されよう。３つ以上の誘導コイルが使用され得ることも、当業者には諒解されよう。１つの誘導コイルが使用されてよいことも、当業者には諒解されよう。

送信共振器の活性電極１０７２および誘導コイルは、共振して電場を生成するように構成される。受信共振器１０１０は、送信共振器の共振周波数に同調している。受信共振器１０１０は、共振電場結合を介して送信機１０７０から電力を抽出するように構成される。送信共振器が磁場も生成し得るが、ほとんどないに等しい電力が、生成された磁場を介して伝達される。

この実施形態では、送信共振器の活性電極１０７２と受信共振器１０１０の活性電極１０２４との間の最小分離距離（Ｄ）は、５０ｍｍに等しい。

動作中、電力は、電源から送信共振器の活性電極に伝達される。誘導コイルを介して送信共振器の活性電極１０７２に送信される電源からのソース信号は、送信共振器を励起して、送信共振器に電場を生成させる。この実施形態では、生成された電場は、近接場である。差動電圧が、送信共振器の活性電極１０７２に加えられ、そのことで、周囲環境の中に電場が生成される。受信共振器１０１０が、生成された電場の中に置かれて送信共振器の共振周波数に同調しているとき、受信共振器１０１０は、共振電場結合を介して送信機から電力を抽出する。次いで、抽出された電力は、受信共振器１０１０からＤＣ変換器／調整器に伝達される。次いで、抽出された電力は、ＤＣ変換器／調整器によって調整／変換される。次いで、調整／変換された電力は、バッテリ１０１２を充電するために使用される。

この実施形態では、活性電極１０７２は、ＵＡＶ１０００に対する着陸プラットフォーム（図示せず）の上に配置される。着陸すると、送信機の活性電極と受信機の活性電極との間に５０ｍｍのすき間（Ｄ）がある。

この実施形態では、制御システムは、モータおよび電力システムと通信するフライトコントローラを含む。フライトコントローラは、フレーム１００２の中心に収納される。

ＵＡＶ１０００は、少なくとも１つのパラメータを検出し、制御システムへの信号を生成するように構成された少なくとも１つのセンサを含むセンサシステムをさらに含む。センサは、フレーム１００２の中に収納される。この実施形態では、センサシステムは、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機ユニットと、加速度計、ジャイロスコープおよび磁気計から成る慣性計測装置（ＩＭＵ：ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）とのうちの少なくとも１つを含む。

この実施形態では、制御システムは、モータおよび電力システムと通信するフライトコントローラを含む。フライトコントローラは、フレーム１００２の中心に収納される。

４つのモータ１００６、４つのプロペラ１００８および４つの腕１００４を含む推進システムが示されたが、１つまたは複数のモータ、プロペラおよび腕が使用されてよいことは、当業者には諒解されよう。

不活性電極は平面である必要はなく、たとえば、不活性電極は、円筒形の活性電極に一致するように、またはパイプの内容物の環境の影響を除外するように、円筒形であってよいことは、当業者には認識されよう。

不活性電極が、円環形状の活性電極とペアになるとき、円環の形であってよいことは、当業者には認識されよう。

不活性電極と活性電極との間の分離が、スペーサおよび／またはスタンドオフを使用して維持されてよいことは、当業者には認識されよう。

不活性電極が穿孔されてよいが、不活性電極の効率および追加のキャパシタンスが、穿孔の増加とともに減少することは、当業者には認識されよう。

特定の寸法が説明されたが、これらは例であり、説明された寸法は、特定の環境に応じて変更される場合があることは、当業者には諒解されよう。

無人輸送手段の特定の実施形態が提供されたが、様々な他のアプリケーションおよび環境が可能であることは、当業者には諒解されよう。

実施形態が、図を参照しながら上で説明されたが、変形形態および変更形態が、添付の特許請求の範囲によって定義されるようなものの範囲から逸脱することなく作成され得ることは、当業者には諒解されよう。

２０ ワイヤレス電力伝達システム
２２ 送信機
２４ 送信共振器
２６ 電源
２８ 活性電極
３０ 誘導コイル
４２ 受信機
４４ 受信共振器
４６ 負荷
４８ 活性電極
５０ 誘導コイル
５２ キャパシタ
５４ 受信キャパシタ
６０ 不活性電極
１２０ ワイヤレス電力伝達システム
１２８ 活性電極
１４８ 活性電極
１５２ キャパシタ
１６０ 不活性電極
１７０ 試験材料
２２８ 活性電極
２４８ 活性電極
２５２ キャパシタ
２６０ 不活性電極
２７０ 円環
２７２ 円板
２７４ 不活性電極
３２０ ワイヤレス電力伝達システム
３２４ 送信共振器
３２８ 活性電極
３４２ 受信機
３４４ 受信共振器
３４６ 負荷
３４８ 活性電極
３５０ 誘導コイル
３８０ 不活性電極
３８２ 受信キャパシタ
４２０ ワイヤレス電力伝達システム
４２２ 送信機
４２４ 送信共振器
４２６ 電源
４２８ 活性電極
４３０ 誘導コイル
４４２ 受信機
４４４ 受信共振器
４４６ 負荷
４４８ 活性電極
４５０ 誘導コイル
４５２ キャパシタ
４６０ 第１の不活性電極
４８０ 第２の不活性電極
４８２ キャパシタ
４９０ 第１の放散性材料
４９２ 第２の放散性材料
４９４ キャパシタ
４９６ 基板
４９８ アクチュエータ
４９９ 伸縮式支持物
５００ 自立走行車
５０２ 活性電極
５０４ 活性電極
５０６ 不活性電極
１０００ 無人航空機（ＵＡＶ）
１００２ フレーム
１００４ 腕
１００６ モータ
１００８ プロペラ
１０１０ 受信共振器
１０１２ バッテリ
１０１４ ケーシング
１０１６ 受信機ボード
１０２０ キャパシタ
１０２２ 誘導コイル
１０２４ 活性電極
１０２６ 不活性電極
１０５０ 電極プレート
１０５２ 腕
１０５４ 中心プレート
１０５６ 側壁
１０６０ 不活性電極プレート
１０６２ 筐体
１０７０ 送信機
１０７２ 活性電極

Claims (23)

1. ワイヤレス電力伝達システムであって、
   共振器を含み、前記共振器が、
   キャパシタであって、
   少なくとも２つの活性電極、および
   前記活性電極に隣接し、前記活性電極に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために前記活性電極を包含するように構成された不活性電極
   を含むキャパシタと、
   前記活性電極に電気接続された少なくとも１つの誘導コイルと
   を含み、前記共振器が、電場を生成し、生成された電場から電力を伝達するまたは電力を抽出するように構成されており、
   前記不活性電極が、前記共振器の前記キャパシタに追加のキャパシタンスを与え、前記ワイヤレス電力伝達システムを共振させるために必要な前記誘導コイルのインダクタンスを低下させる、
   ワイヤレス電力伝達システム。
2. 前記共振器が、電力をワイヤレスに伝達するように構成された送信機の部分を形成し、前記共振器が、前記電場を生成するように構成される、
   請求項１に記載のワイヤレス電力伝達システム。
3. 前記共振器が、共振電場を生成するように構成される、
   請求項２に記載のワイヤレス電力伝達システム。
4. 前記共振器が、送信共振器であり、前記ワイヤレス電力伝達システムが、少なくとも２つ活性電極を含む受信共振器をさらに含む、
   請求項１に記載のワイヤレス電力伝達システム。
5. 前記不活性電極の面積が、少なくとも前記送信共振器の前記活性電極間の面積だけ、前記送信共振器の前記活性電極の面積よりも大きい、
   請求項４に記載のワイヤレス電力伝達システム。
6. 前記共振器が、電力をワイヤレスに抽出するように構成された受信機の部分を形成し、前記共振器が、共振電場結合を介して前記生成された電場から電力を抽出するように構成される、
   請求項１に記載のワイヤレス電力伝達システム。
7. 前記共振器が、前記生成された共振電場から電力を抽出するように構成される、
   請求項６に記載のワイヤレス電力伝達システム。
8. 前記活性電極が、細長いプレートである、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
9. 前記不活性電極が、前記活性電極のうちの１つの幅の２倍と前記活性電極間の横方向のすき間との和以上の幅と、前記活性電極のうちの１つの長さ以上の長さとを有する、
   請求項８に記載のワイヤレス電力伝達システム。
10. 前記活性電極が、同心である、
    請求項１から７のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
11. 前記活性電極のうちの少なくとも１つが、円板または円環である、
    請求項１から７のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
12. 前記不活性電極が、細長いプレートまたは円板である、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
13. 前記不活性電極が円環であり、前記活性電極は、２つの同心電極を備え、前記同心電極は、円環および円板を備え、前記不活性電極の前記円環は、前記活性電極の円環の内部半径以下の内部半径を有する、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
14. 前記不活性電極が、前記不活性電極の縁部に対しておよび／または前記不活性電極の外周に沿って付された放散性材料を含む、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
15. 前記誘導コイルが、前記活性電極に対して前記不活性電極の反対側に配置され、前記誘導コイルが、前記不活性電極の中の穴を通して前記活性電極に電気接続される、
    請求項１から１４のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
16. 前記キャパシタが、
    前記活性電極が上に付される基板と、
    前記基板と前記不活性電極との間に伸びるアクチュエータとをさらに含み、前記アクチュエータが、前記活性電極と前記不活性電極との間の分離距離を変化させるように制御可能である、
    請求項１から１５のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
17. 前記キャパシタが、
    前記基板と前記不活性電極との間に伸びる少なくとも２つの伸縮式支持物をさらに含み、前記伸縮式支持物が、前記活性電極と前記不活性電極との間の前記分離距離が変更されるときに伸びるまたは縮むように構成される、
    請求項１６に記載のワイヤレス電力伝達システム。
18. 前記アクチュエータの作動が、マイクロコントローラによって制御される、
    請求項１６に記載のワイヤレス電力伝達システム。
19. 前記不活性電極が接地される、
    請求項１から１８のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
20. 前記不活性電極が接地されない、
    請求項１から１８のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システム。
21. フレームと、
    前記フレームに搭載され、無人航空機（ＵＡＶ）の揚力および推力を与えるように構成された推進システムと、
    前記フレームに搭載され、前記推進システムに給電するように構成された電力システムであって、共振器を含み、前記共振器が、
    キャパシタであって、
    少なくとも２つの活性電極、および
    前記活性電極に隣接しており、前記活性電極に影響を与える環境の影響を少なくとも部分的に除外するために前記活性電極を包含するように構成された不活性電極
    を含み、前記不活性電極が前記活性電極に対して電場源の反対側にある、
    キャパシタと、
    前記活性電極に電気接続された少なくとも１つの誘導コイルと
    を含み、前記共振器が共振電場結合を介して生成された電場から電力を抽出するように構成され、前記不活性電極が、前記共振器の前記キャパシタに追加のキャパシタンスを与え、前記電力システムを共振させるために必要な前記誘導コイルのインダクタンスを低下させる、電力システムと、
    前記フレームに搭載され、前記推進システムおよび前記電力システムを制御するように構成された制御システムと
    を含む、
    無人航空機（ＵＡＶ）。
22. 請求項２１に記載のＵＡＶと、
    送信共振器であって、
    少なくとも２つの活性電極、および
    前記活性電極に電気接続された少なくとも１つの誘導コイルを含む
    送信共振器とを含み、
    前記送信共振器が、電場を生成して、共振電場結合を介して前記ＵＡＶに電力を伝達するように構成される、ワイヤレス電力伝達システム。
23. フレームと、
    前記フレームの上の、無人航空機（ＵＡＶ）を推進するように構成された推進システムと、
    前記フレームの上の、請求項１から２０のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝達システムと、
    前記フレームの上の、前記推進システムおよび前記ワイヤレス電力伝達システムを制御するように構成された制御システムと
    を含む、
    無人航空機（ＵＡＶ）。

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