特表2022-514783ワイヤレス電場電力伝送システムと送電器及びワイヤレス電力伝送方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-15
(54)【発明の名称】ワイヤレス電場電力伝送システムと送電器及びワイヤレス電力伝送方法
(51)【国際特許分類】
H02J 50/05 20160101AFI20220207BHJP
【ＦＩ】
H02J50/05
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021536198
(86)(22)【出願日】2019-12-19
(85)【翻訳文提出日】2021-07-30
(86)【国際出願番号】 CA2019051860
(87)【国際公開番号】W WO2020124242
(87)【国際公開日】2020-06-25
(31)【優先権主張番号】62/783,242
(32)【優先日】2018-12-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516389019
【氏名又は名称】ソレース・パワー・インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】アハマド・エム・アルムダラル
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー・バートレット
(72)【発明者】
【氏名】サミュエル・ロバート・コーヴ
(57)【要約】
送電共振器を提供する。送電共振器は、二つのインダクタと、インダクタに電気的に接続された切り替えネットワークと、切り替えネットワークに電気的に接続された複数の容量性電極と、容量性電極に通信可能に接続された検出器と、切り替えネットワークと検出器に通信可能に接続された制御器と、を備える。検出器はインピーダンスを検出するように構成される。制御器は、検出されたインピーダンスに基づいてどの電極をインダクタに接続するのかを制御するように切り替えネットワークを制御するように構成される。インダクタと電極は共振して電場を発生させるように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも二つのインダクタと、前記インダクタに電気的に接続された切り替えネットワークと、
前記切り替えネットワークに電気的に接続された複数の容量性電極と、
制御器に通信可能に接続され、インピーダンスを検出するように構成された検出器と、
前記切り替えネットワークと前記検出器に通信可能に接続され、検出されたインピーダンスに基づいてどの容量性電極をインダクタに接続するのかを制御するように前記切り替えネットワークを制御するように構成された制御器と、を備え、
前記インダクタと前記容量性電極が共振して電場を発生させるように構成されている、送電共振器。
【請求項2】
前記検出器が第一検出器と第二検出器を備える、請求項１に記載の送電共振器。
【請求項3】
前記第一検出器が前記容量性電極に示されるインピーダンスを検出するように構成されている、請求項２に記載の送電共振器。
【請求項4】
前記検出器が少なくとも一つの回路と位相検出器を備える、請求項１に記載の送電共振器。
【請求項5】
前記回路が電圧を印加して電流を検出することによってインピーダンスを測定するように構成されている、請求項４に記載の送電共振器。
【請求項6】
前記第二検出器がワイヤレス電力伝送中のインピーダンスを検出するように構成されている、請求項２に記載の送電共振器。
【請求項7】
前記切り替えネットワークが各容量性電極を両方のインダクタに電気的に接続するように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の送電共振器。
【請求項8】
容量性電極の数と等しい数のインダクタを有する請求項１から７のいずれか一項に記載の送電共振器。
【請求項9】
前記容量性電極が前記インダクタを介して前記切り替えネットワークに電気的に接続されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の送電共振器。
【請求項10】
前記検出器が前記制御器に電気的に接続されている及び／又は前記制御器が前記切り替えネットワークに電気的に接続されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の送電共振器。
【請求項11】
前記インダクタが可変インダクタである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の送電共振器。
【請求項12】
前記制御器が前記可変インダクタに電気的に接続され、前記制御器が前記可変インダクタのインダクタンスを制御するように構成されている、請求項１１に記載の送電共振器。
【請求項13】
前記容量性電極が前記可変インダクタを介して前記切り替えネットワークに電気的に接続されている、請求項１２に記載の送電共振器。
【請求項14】
前記インダクタと前記容量性電極が共振して電場を発生させ電場結合を介して電力を伝送するように構成されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の送電共振器。
【請求項15】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の送電共振器を備えるワイヤレス電力伝送システム。
【請求項16】
送電器と受電器とを備えるワイヤレス電力伝送システムであって、前記送電器が、
電力信号を発生させるように構成された電源と、
前記電源に電気的に接続された送電共振器と、を備え、
前記送電共振器が、
少なくとも二つの送電インダクタと、
前記送電インダクタに電気的に接続された切り替えネットワークと、
前記切り替えネットワークに電気的に接続された複数の送電容量性電極と、
制御器に通信可能に接続され、インピーダンスを検出するように構成された検出器と、
前記切り替えネットワークと前記検出器に通信可能に接続され、検出されたインピーダンスに基づいてどの送電容量性電極を送電インダクタに接続するのかを制御するように前記切り替えネットワークを制御するように構成された制御器と、を備え、
前記送電インダクタと前記送電容量性電極が共振して電場を発生させるように構成され、
前記受電器が、
負荷と、
前記負荷に電気的に接続された受電共振器と、を備え、
前記受電共振器が、
少なくとも二つの受電インダクタと、
前記受電インダクタに電気的に接続された少なくとも二つの受電容量性電極と、を備え、
前記受電インダクタと前記受電容量性電極が、発生した電場中で共振して共振電場結合を介して電力を抽出するように構成されている、ワイヤレス電力伝送システム。
【請求項17】
前記送電器が、前記電源と前記送電共振器との間に電気的に接続されたインバータを更に備える、請求項１６に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項18】
前記受電器が、前記負荷と前記受電共振器との間に電気的に接続された整流器を更に備える、請求項１６又は１７に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項19】
ワイヤレス電力伝送の方法であって、切り替えネットワークに電気的に接続された少なくとも二つの容量性電極のインピーダンスを検出することと
前記容量性電極のインピーダンスを、前記切り替えネットワークに通信可能に接続された制御器に伝達することと、
前記容量性電極のインピーダンスに基づいて、前記切り替えネットワークに電気的に接続されている少なくとも二つのインダクタに接続すべき容量性電極のサブセットを前記制御器で決定することと、
前記容量性電極のサブセットを前記インダクタに接続することと、
前記インダクタと前記容量性電極のサブセットを共振させて電場を発生させることと、を備える方法。
【請求項20】
前記容量性電極のサブセットを前記インダクタに接続することが、前記容量性電極のサブセットを前記インダクタに接続するように前記制御器から前記切り替えネットワークに信号を送信することを備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項21】
前記インダクタのインピーダンスを決定することと、前記インダクタのインピーダンスを前記制御器に送信することと、
前記インダクタのインピーダンスがインピーダンス範囲内にあるかどうかを前記制御器で決定することと、
前記インダクタのインピーダンスが前記インピーダンス範囲内に無い場合に、全ての容量性電極を前記インダクタから接続解除するように前記制御器から前記切り替えネットワークに信号を送信することと、を更に備える請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項22】
前記インピーダンス範囲が、共振電場結合を介して前記容量性電極と前記インダクタから電力伝送が可能であるインピーダンス範囲である、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
共振周波数において受電器のインダクタと容量性電極を共振させることと、発生した電場から共振電場結合を介して電力を抽出することと、を更に備える請求項１９から２２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、概してワイヤレス電力伝送（無線給電）に係り、特にワイヤレス電場電力伝送システム、及びそれ用の送電器（トランスミッタ）と受電器（レシーバ）に関する。
【背景技術】
【0002】
多様なワイヤレス電力伝送システムが知られている。典型的なワイヤレス電力伝送システムは、ワイヤレス電力送電器に電気的に接続された電源と、負荷に電気的に接続されたワイヤレス電力受電器とを含む。磁気誘導システムでは、送電器は誘導コイルを有し、電源からの電気エネルギーを受電器の誘導コイルに伝送する。電力伝送は、送電器の誘導コイルと受電器の誘導コイルとの間の磁場結合に起因して生じる。こうした磁気誘導システムの範囲は限定的であり、送電器の誘導コイルと受電器の誘導コイルが電力伝送にとって最適に整列していなければならない。共振磁気システムも存在し、送電器の誘導コイルと受電器の誘導コイルとの間の磁場結合に起因して電力が伝送される。しかしながら、共振磁気システムでは、少なくとも一つのキャパシタを用いて誘導コイルを共振させる。共振磁気システムの電力伝送範囲は、磁気誘導システムのものよりも広がり、整列の問題が是正される。磁気誘導システムと共振磁気システムにおいては電磁エネルギーが生成され得るが、電力伝送の大部分は磁場を介して行われる。電気誘導又は共振電気誘導を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。
【0003】
電気誘導システムでは、送電器と受電器は容量性電極を有する。電力伝送は、送電器の容量性電極と受電器の容量性電極との間の電場結合に起因して生じる。共振磁気システムと同様に、共振電気システムも存在し、少なくとも一つのインダクタを用いて送電器の容量性電極と受電器の容量性電極を共振させる。共振電気システムは、電気誘導システムと比較して広がった電力伝送範囲を有し、整列の問題が是正される。電気誘導システムと共振電気システムにおいては電磁エネルギーが生成され得るが、電力伝送の大部分は電場を介して行われる。磁気誘導又は共振磁気誘導を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。
【0004】
ワイヤレス電力伝送法は知られているものの改善が望まれている。従って、新規なワイヤレス電場電力伝送システム、それ用の送電器と受電器、ワイヤレス電力伝送方法を提供することが課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第９６５３９４８号明細書
【特許文献2】米国特許第９９７９２０６号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第２０２０／００９９２５４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
この概要は、以下の詳細な説明において更に説明されるコンセプトを単純化して紹介するものであることを理解されたい。この概要は特許請求の範囲を限定するものではない。
【0007】
そこで、一態様により提供される送電共振器は、少なくとも二つのインダクタと、インダクタに電気的に接続された切り替えネットワークと、切り替えネットワークに電気的に結合された複数の容量性電極と、制御器に通信可能に接続され、インピーダンスを検出するように構成された検出器と、切り替えネットワークと検出器に通信可能に接続され、検出されたインピーダンスに基づいてどの容量性電極をインダクタに接続するのかを制御するように切り替えネットワークを制御するように構成された制御器と、を備え、インダクタと容量性電極が共振して電場を発生させるように構成される。
【0008】
一つ以上の実施形態において、検出器は第一検出器と第二検出器を備える。
【0009】
一つ以上の実施形態において、第一検出器は電極に示されるインピーダンスを検出するように構成される。
【0010】
一つ以上の実施形態において、検出器は少なくとも一つの回路と位相検出器を備える。一つ以上の実施形態において、回路は電圧を印加して電流を検出することによってインピーダンスを測定するように構成される。
【0011】
一つ以上の実施形態において、第二検出器はワイヤレス電力伝送中のインピーダンスを検出するように構成される。
【0012】
一つ以上の実施形態において、切り替えネットワークは各容量性電極を両方のインダクタに電気的に接続するように構成される。
【0013】
一つ以上の実施形態において、送電共振器は、容量性電極の数と等しい数のインダクタを有する。
【0014】
一つ以上の実施形態において、容量性電極はインダクタを介して切り替えネットワークに電気的に接続される。一つ以上の実施形態において、検出器は制御器に電気的に接続され及び／又は制御器は切り替えネットワークに電気的に接続される。
【0015】
一つ以上の実施形態において、インダクタは可変インダクタである。一つ以上の実施形態において、制御器は可変インダクタに電気的に接続され、制御器は可変インダクタのインダクタンスを制御するように構成される。一つ以上の実施形態において、容量性電極は可変インダクタを介して切り替えネットワークに電気的に接続される。
【0016】
一つ以上の実施形態において、インダクタと容量性電極は共振して電場を発生させ電場結合を介して電力を伝送するように構成される。
【0017】
他の態様により提供されるワイヤレス電力伝送システムは、上記いずれかの送電共振器を備える。
【0018】
他の態様により提供されるワイヤレス電力伝送システムは送電器と受電器を備え、送電器は、電力信号を発生させるように構成された電源と、電源に電気的に接続された送電共振器と、を備え、送電共振器は、少なくとも二つの送電インダクタと、送電インダクタに電気的に接続された切り替えネットワークと、切り替えネットワークに電気的に接続された複数の送電容量性電極と、制御器に通信可能に接続され、インピーダンスを検出するように構成された検出器と、切り替えネットワークと検出器に通信可能に接続され、検出されたインピーダンスに基づいてどの送電容量性電極を送電インダクタに接続するのかを制御するように切り替えネットワークを制御するように構成された制御器と、を備え、送電インダクタと送電容量性電極は共振して電場を発生させるように構成され、受電器は、負荷と、負荷に電気的に接続された受電共振器と、を備え、受電共振器は、少なくとも二つの受電インダクタと、受電インダクタに電気的に接続された少なくとも二つの受電容量性電極と、を備え、受電インダクタと受電容量性電極は、発生した電場中で共振して共振電場結合を介して電力を抽出するように構成される。
【0019】
一つ以上の実施形態において、送電器は、電源と送電共振器との間に電気的に接続されたインバータを更に備える。
【0020】
一つ以上の実施形態において、受電器は、負荷と受電共振器との間に電気的に接続された整流器を更に備える。
【0021】
他の態様により提供されるワイヤレス電力伝送の方法は、切り替えネットワークに電気的に接続された少なくとも二つの容量性電のインピーダンスを検出することと、容量性電極のインピーダンスを、切り替えネットワークに通信可能に接続された制御器に伝達することと、容量性電極のインピーダンスに基づいて少なくとも二つのインダクタに接続すべき容量性電極のサブセットを制御器で決定すること（インダクタは切り替えネットワークに電気的に接続されている）と、容量性電極のサブセットをインダクタに接続することと、インダクタと容量性電極のサブセットを共振させて電場を発生させることと、を備える。
【0022】
一つ以上の実施形態において、容量性電極のサブセットをインダクタに接続することは、容量性電極のサブセットをインダクタに接続するように制御器から切り替えネットワークに信号を送信することを備える。
【0023】
一つ以上の実施形態において、本方法は、インダクタのインピーダンスを決定することと、インダクタのインピーダンスを制御器に送信することと、インダクタのインピーダンスがインピーダンス範囲内にあるかどうかを制御器で決定することと、インダクタのインピーダンスがインピーダンス範囲内に無い場合に、全ての容量性電極をインダクタから接続解除するように制御器から切り替えネットワークに信号を送信することと、を更に備える。
【0024】
一つ以上の実施形態において、インピーダンス範囲は、共振電場結合を介して容量性電極とインダクタから電力伝送が可能であるインピーダンス範囲である。
【0025】
一つ以上の実施形態において、本方法は、共振周波数において受電器のインダクタと容量性電極を共振させることと、発生した電場から共振電場結合を介して電力を抽出することと、を更に備える。
【0026】
以下、添付図面を参照して実施形態をより完全に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】ワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。
【図2】ワイヤレス共振電場電力伝送システムの概略図である。
【図3】本開示の態様に係る送電共振器の概略図である。
【図6】本開示の態様に係る送電共振器の他の実施形態の概略図である。
【図15】本システムの一態様に係る部分的ワイヤレス電力伝送システムの他の実施形態の平面図である。
【図16】部分的ワイヤレス電力伝送システムの他の実施形態の平面図である。
【図22】本システムの一態様に係る部分的ワイヤレス電力伝送システムの他の実施形態の斜視図である。
【図24】部分的ワイヤレス電力伝送システムの他の実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
上記概要と以下の特定の実施形態の詳細な説明は添付図面と共に読まれることでより良く理解されるものである。同様の参照記号が明細書及び図面全体にわたって同様の要素を指称するために用いられていることを理解されたい。本願において、単数形で記載されている要素や特徴は、複数の要素や特徴を必ずしも排除するものではないことを理解されたい。更に、「一例」や「一実施形態」への言及は、その一例や一実施形態に記載の要素や特徴を含む追加の例や実施形態の存在を排除するものとして解釈されるものではない。また、特に断らない限り、特定の特性を有する一つの要素や特徴又は複数の要素や特徴を「備える」、「有する」又は「含む」例や実施形態は、その特性を有さない追加の要素や特徴を更に含み得るものである。また、「備える」、「有する」、「含む」との用語は、「非限定的に含むこと」を意味するものであり、「備える」、「有する」、「含む」との用語が等価な意味を有することを理解されたい。
【0029】
本願において、「及び／又は」との用語は、関連して列挙されている要素や特徴のうち一つ以上のありとあらゆる組み合わせを含むことができるものである。
【0030】
或る要素や特徴が、他の要素や特徴の「上」にある、他の要素や特徴に「取り付けられている」、「接続されている」、「結合している」、「接触している」等として言及されている場合、その要素や特徴は、直接的に、他の要素や特徴の上にある、他の要素や特徴に取り付けられている、接続されている、結合している、接触しているものとなり得て、又は介在する要素が存在してもよい。対照的に、或る要素や特徴が他の要素や特徴の「直接上」にある、他の要素や特徴に「直接取り付けられている」、「直接接続されている」、「直接結合している」、「直接接触している」として言及されている場合、介在する要素や特徴は存在しない。
【0031】
「下」、「下方」、「下部」、「上」、「上方」、「上部」、「前」、「後」等の空間的関係の用語は、本願において図示されている或る要素や特徴と他の要素や特徴との関係性を説明することを簡単にするために使用されているものであり得ることを理解されたい。しかしながら、こうした空間的関係の用語は、図面に示されている向きに加えて使用時や動作時における異なる向きも含むことができるものである。
【0032】
本願における「例」への言及は、その例に関して記載されている一つ以上の特徴、構造、要素、部品、特性及び／又は動作ステップが本開示に係る主題の少なくとも一つの実施形態や実現に含まれることを意味するものである。従って、本開示全体にわたる「一例」、「他の例」や同様の用語は、同じ例に言及するものとなり得るが、必ずしも同じ例に言及するものではない。更に、或る例を特徴付ける主題は、他の例を特徴付ける主題を含み得るものとなるが、必ずしも他の例を特徴付ける主題を含むものではない。
【0033】
本願における「構成されている」との記載は、「～するように構成されている」との表現を伴う要素や特徴の物理的特性にその要素や特徴を本質的に結び付ける実際の構成状態を示すものである。
【0034】
特に断らない限り、「第一」、「第二」等の用語は、単に目印として用いられているものであって、これらの用語で指称される事項に順序や位置や階層的な要件を課すものではない。更に、「第二」の事項への言及は、低次の事項（例えば、「第一」の事項）及び／又は高次の事項（例えば、「第三」の事項）の存在を要求したり除外したりするものではない。
【0035】
本願において、「略」や「約」との用語は、依然として所望の機能が果たされ又は所望の結果が得られる程度で記載の量に近い量を表す。例えば、「略」や「約」との用語は、記載の量から１０％以内、５％以内、１％以内、０．１％以内、０．０１％以内の量を称し得る。
【0036】
図１は、概して参照番号１００で示されるワイヤレス電力伝送システムを示す。ワイヤレス電力伝送システム１００は、送電素子１１４に電気的に接続された電源１１２を備える送電器１１０と、負荷１２２に電気的に接続された受電素子１２４を備える受電器１２０とを備える。電力は電源１１２から送電素子１１４に伝送される。次いで、電力は、共振又は非共振の電場又は磁場結合を介して送電素子１１４から受電素子１２４に伝送される。次いで、電力は受電素子１２４から負荷１２２に伝送される。
【0037】
一例の実施形態では、ワイヤレス電力伝送システムは、共振電場ワイヤレス電力伝送システムの形態を取り得る。図２は、２０１２年９月２日出願のポル等の米国特許第９６５３９４８号明細書（特許文献１）（関連箇所は参照として本願に組み込まれる）等に記載されている共振電場ワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号２００で示される）を示す。
【0038】
共振電場ワイヤレス電力伝送システム２００は、送電共振器２１４に電気的に接続された電源２１２を備える送電器２１０を備える。送電共振器２１４は、横方向に離隔された一対の細長の送電容量性電極２１６を備え、各電極は高品質係数（Ｑ値）送電インダクタ２１８を介して電源２１２に電気的に接続されている。システム２００は、負荷２２２に電気的に接続された受電共振器２２４を備える受電器２２０を更に備える。受電共振器２２４は送電共振器２１４の共振周波数に同調される。受電共振器２２４は、横方向に離隔された一対の細長の受電容量性電極２２６を備え、各電極は高Ｑ値受電インダクタ２２８を介して負荷２２２に電気的に接続されている。
【0039】
本実施形態では、インダクタ２１８と２２８はフェライトコアインダクタであるが、当業者は他のコアも可能であることを理解するものである。
【0040】
本実施形態では、送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６の各々は、導電体製の細長素子を備える。送電容量性電極２１６同士は同一平面上（コプレーナ）にある。受電容量性電極２２６同士は同一平面上（コプレーナ）にある。本実施形態では、送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６は平行な平面内にある。本実施形態では、送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６は、略矩形で平坦なプレートの形態である。
【0041】
送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６は横方向に離隔された細長の電極として説明されているが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものであり、同心状、コプレーナ状、円形、楕円形、ディスク状等の電極が挙げられるが、これらに限定されない。他の適切な電極構成は、２０１５年９月４日出願のネイバーグ等の米国特許第９９７９２０６号明細書（特許文献２）（関連箇所は参照として本願に組み込まれる）に記載されている。
【0042】
図２においてインダクタ２１８と２２８はそれぞれ電源２１２と負荷２２２に直列接続されるものとして示されているが、当業者は、インダクタ２１８と２２８がそれぞれ電源２１２と負荷２２２に並列接続され得ることを理解するものである。
【0043】
動作時には、電力が電源２１２から高Ｑ値送電インダクタ２１８を介して送電容量性電極２１６に伝送される。特に、電源２１２から高Ｑ値送電インダクタ２１８を介して送電容量性電極２１６に送信される電力信号が、送電共振器２１４を励起して、送電共振器２１４が電場を発生させる。送電器２１０と同じ共振周波数に同調されている受電器２２０が共振電場内に配置されると、受電共振器２２４が、共振電場結合を介して送電共振器２１４から電力を抽出する。次いで、抽出された電力が受電共振器２２４から負荷２２２に伝送される。電力伝送が高共振性であるため、非共振電場電力伝送システムの場合のように送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６を互いに接近させたり十分に整列させたりする必要がない。送電共振器２１４は磁場を発生させ得るが、磁場結合を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。
【0044】
送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６がそれぞれ略整列すると、上述のように電力が伝送される。送電容量性電極２１６と受電容量性電極２２６が略整列していないと、電力伝送が減少するか又は全く不能となり得る。
【0045】
共振器により大きな位置自由度を与えるために、本開示の一態様に係る送電共振器が提供される。図３は、概して参照番号３００で示される送電共振器を示す。送電共振器３００は、以下で説明するように一つ以上の受電共振器に電力を伝送する電場を発生させるように構成される。送電共振器３００は、二つのインダクタ３０２と、切り替えネットワーク（回路網）３０４と、容量性電極３０６と、検出器３０８と、制御器３１０を備える。
【0046】
インダクタ３０２は、以下で説明するように、共振周波数において容量性電極３０６と共振して、電場を発生させるように構成される。インダクタ３０２は切り替えネットワーク３０４に電気的に接続される。本実施形態では、インダクタ３０２はフェライトコアインダクタである。インダクタ３０２は固定インダクタである。しかしながら、当業者は他のコアも可能であることを理解するものである。更に、二つよりも多くのインダクタ３０２や二つよりも少ないインダクタ３０２が使用可能であることを当業者は理解するものである。
【0047】
容量性電極３０６は、Ｎ×Ｍ個の容量性電極で構成される。容量性電極３０６はグリッドパターンで配置され、Ｎはグリッドの列数であり、Ｍはグリッドの行数である。各容量性電極３０６は切り替えネットワーク３０４に電気的に接続される。容量性電極３０６同士は同一平面上にある。容量性電極３０６同士はｘｙ平面内において同一平面上にある。本実施形態では、各容量性電極３０６は、同一寸法を有する平坦な正方形のプレート電極である。
【0048】
切り替えネットワーク３０４は、どの電極３０６がインダクタ３０２と共振して電場を発生させるのかを制御するように構成される。切り替えネットワーク３０４はインダクタ３０２と制御器３１０に電気的に接続される。切り替えネットワーク３０４は両方のインダクタ３０２を各容量性電極３０６に電気的に接続する。本実施形態では、切り替えネットワーク３０４は、相互接続された複数のスイッチを備える。本実施形態では、切り替えネットワーク３０４は、二つの入力部（インダクタ３０２毎に一つの入力部）と、Ｎ×Ｍ×２個の出力部を備える。各出力部は単一の容量性電極３０６に電気的に接続される。各容量性電極３０６は切り替えネットワーク３０４の二つの出力部に電気的に接続される。切り替えネットワーク３０４は、容量性電極３０６とインダクタ３０２の接続を制御するように構成される。所与の時点において、容量性電極３０６は、切り替えネットワーク３０４を介して、両方のインダクタ３０２に接続され、単一のインダクタ３０２に接続され、又はいずれのインダクタ３０２に接続されないものとなり得る。容量性電極３０６がいずれのインダクタ３０２にも接続されていない場合、容量性電極３０６は、送電共振器３００の要求に応じて、電気的にフローティング又は接地状態になり得る。
【0049】
検出器はインピーダンスを検出するように構成される。検出器は容量性電極３０６に電気的に接続される。検出器は制御器３１０に通信可能に接続される。本実施形態では、検出器は、電極３０６に示されるインピーダンスを検出するように構成された第一検出器３０８を備える。第一検出器３０８は少なくとも一つの回路を備える。本実施形態では、第一検出器３０８は位相検出器を更に備える。回路は、電圧を印加し電流を検出することによってインピーダンスを検出するように構成された電気部品を備える。位相検出器は位相を検出するように構成される。第一検出器３０８は、検出された電流と検出された位相を用いて、電極３０６に示されるインピーダンスを決定する。第一検出器３０８は各電極３０６において示されるインピーダンスを決定する。
【0050】
上述のように、検出器は制御器３１０に通信可能に接続される。検出されたインピーダンスは制御器３１０に伝達される。本実施形態では、検出器は制御器３１０に電気的に接続される。具体的に本実施形態では、第一検出器３０８は、検出された全てのインピーダンスを制御器３１０に伝達する。本実施形態では、第一検出器３０８は制御器３１０に電気的に接続される。本実施形態では、検出されたインピーダンスは、制御器３１０と第一検出器３０８の間の有線接続を介して制御器３１０に伝達される。
【0051】
制御器３１０は、どの電極３０６をどのインダクタ３０２に接続するのかを決定するように切り替えネットワーク３０４を制御するように構成される。制御器３１０は、切り替えネットワーク３０４と第一検出器３０８に通信可能に接続される。本実施形態では、制御器３１０は有線接続を介して切り替えネットワーク３０４に電気的に接続される。制御器３１０は、第一検出器３０８からのインピーダンスに基づいてどの電極３０６をどのインダクタ２０２に接続するのかを制御するように切り替えネットワーク３０４に制御信号を送信するように構成される。制御器３１０と切り替えネットワーク３０４は別々の素子として説明されているが、制御器３１０と切り替えネットワーク３０４を単一素子に統合可能であることを当業者は理解するものである。
【0052】
本実施形態では、制御器３１０はマイクロコントローラである。制御器３１０はマイクロコントローラとして説明されているものであるが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、制御器３１０は、ソフトウェア、ハードウェア、デジタルロジックコントローラ（ＤＬＣ，ｄｉｇｉｔａｌ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、マイクロプロセッサのうちの一つ以上を備える。
【0053】
他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、検出されたインピーダンスは、無線通信を介して制御器３１０に送信される。制御器３１０と第一検出器３０８は有線通信を介しては電気的に接続されない。更に、他の実施形態では、制御器３１０は、無線通信を介して切り替えネットワーク３０４に制御信号を送信するように構成される。制御器３１０は、有線接続を介しては切り替えネットワーク３０４に電気的に接続されない。例示的な無線通信方式としてＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）が挙げられる。
【0054】
本実施形態では、送電共振器３００は、２０１８年９月２１日出願の米国特許出願第１６／１３８３４４号（特許文献３）（その関連箇所は参照として本願に組み込まれる）に記載のようなパッシブ電極３２０を更に備える。パッシブ電極３２０は、電極３０６に影響する環境要因を少なくとも部分的に排除するように電極３０６を囲む。パッシブ電極３２０は電極３０６に近接している。本実施形態では、パッシブ電極３２０と電極３０６は平行平面を有する。パッシブ電極３２０は細長素子を備える。細長素子は導電体製である。細長素子は、略矩形で平坦なプレート状である。
【0055】
動作時には、第一検出器３０８は、容量性電極３０６において示されるインピーダンスを検出する。具体的には、第一検出器３０８は、各容量性電極３０６で示されるインピーダンスを逐次（容量性電極３０６毎に）検出し、又は全ての電極３０６において一度にインピーダンスを検出する。二つ以上の容量性電極３０６（容量性電極３０６のサブセット、又は、全ての容量性電極３０６）に対して少なくとも一つの受電共振器が示され、検出されるインピーダンスが閾値インピーダンスよりも大きい場合、第一検出器３０８は検出されたインピーダンスを制御器３１０に送信する。閾値インピーダンスは、送電共振器３００を共振周波数で共振させることができるインピーダンス範囲の最低値である。本実施形態では、共振周波数は１３．５６ＭＨｚである。制御器３１０は、どの電極３０６で示されているインピーダンスなのかを決定するロジックを適用する。
【0056】
システムに受電器を配置する際にどの送電容量性電極３０６を送電インダクタ３０２に接続すべきなのかを見つけ出すのに二分探索（これに限定されない）等のアルゴリズムの使用をロジックが含み得ることを当業者は認識するものである。他の実施形態では、所与のワイヤレス電力伝送システムの既知の制約に応じて、受電共振器の可能なサイズと形状に関するより多くの情報が、より複雑で時間効率的なアルゴリズムを含むロジックをシステム内で使用可能にする。他の実施形態では、ロジックは、システムが受電器を素早く見つけ出すことを補助するように遺伝的アルゴリズムをニューラルネットワークと組み合わせて実施することを含み得る。他のアルゴリズムも可能であることを当業者は認識するものである。
【0057】
次いで、制御器３１０は、受信共振器に対して示されている二つ以上の電極３０６をインダクタ３０２に接続し、他の全ての電極３０６をインダクタ３０２から接続解除するように切り替えネットワーク３０４に信号を送信する。二つ以上の電極３０６とインダクタ３０２は、共振周波数で共振して電場を発生させる。同じ共振周波数に同調されている受電共振器は、共振電場結合を介して電場から電力を抽出する。送電共振器３００は電磁エネルギーを発生させ得るが、電力伝送の大部分は電場を介して生じる。磁気誘導又は共振磁気誘導を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。
【0058】
複数の容量性電極３０６が同一の寸法を有するので、容量性電極３０６同士の間のキャパシタンスは特定の繰り返し値を有する。図４と図５は、グリッドパターンの容量性電極３０６の概略図を示し、Ｎ（グリッドの列数）は４であり、Ｍ（グリッドの行数）は４である。各対の容量性電極３０６の間のキャパシタンスが図４と図５に示されている。図４は近接の容量性電極３０６同士の間の四つの異なるキャパシタンス値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示す。図５は、対角の容量性電極３０６同士の間の四つの異なるキャパシタンス値Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを示す。容量性電極３０６とパッシブ電極３２０との間のキャパシタンスは示されていない。
【0059】
特定の送電共振器３００を説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図６は、他の実施形態の送電共振器（概して参照番号４００で示される）を示す。送電共振器４００は、以下で説明するように電場を発生させて一つ以上の受電共振器に電力を伝送するように構成される。送電共振器４００は、二つのインダクタ４０２と、切り替えネットワーク４０４と、容量性電極４０６と、検出器と、制御器４１０を備える。本実施形態では、送電共振器４００は、２０１８年９月２１日出願の米国特許出願第１６／１３８３４４号（特許文献３）（その関連箇所は参照として本願に組み込まれる）に記載のようなパッシブ電極４２０を更に備える。インダクタ４０２、切り替えネットワーク４０４、容量性電極４０６、制御器４１０、パッシブ電極４２０は、特に断らない限りは上述のインダクタ３０２、切り替えネットワーク３０４、容量性電極３０６、制御器３１０、パッシブ電極３２０と同一である。
【0060】
検出器はインピーダンスを検出するように構成される。本実施形態では、検出器は第一検出器４０８と第二検出器４１２を備える。第一検出器４０８は、電極４０６に示されるインピーダンスを検出するように構成される。第一検出器４０８は容量性電極４０６に電気的に接続される。第一検出器４０８は制御器４１０に通信可能に接続される。
【0061】
第一検出器４０８は少なくとも一つの回路を備える。本実施形態では、第一検出器４０８は位相検出器を更に備える。回路は、電圧を印加して電流を検出することによってインピーダンスを検出するように構成された電気部品を備える。位相検出器は位相を検出するように構成される。第一検出器４０８は、検出された電流と検出された位相を用いて、電極４０６に示されるインピーダンスを決定する。第一検出器４０８は、各電極４０６において示されるインピーダンスを決定する。
【0062】
上述のように、第一検出器４０８は制御器４１０に通信可能に接続される。検出されたインピーダンスは制御器４１０に伝達される。本実施形態では、第一検出器４０８は制御器４１０に電気的に接続される。検出されたインピーダンスは、制御器４１０と第一検出器４０８との間の有線接続を介して制御器４１０に伝達される。
【0063】
第二検出器４１２はインダクタ４０２のインピーダンスを検出するように構成される。第二検出器４１２はインダクタ４０２に電気的に接続される。第二検出器４１２は制御器４１０に通信可能に接続される。第二検出器４１２は少なくとも一つの回路を備える。本実施形態では、第二検出器４１２は位相検出器を更に備える。回路は、電圧を印加して電流を検出することによってインピーダンスを検出するように構成された電気部品を備える。位相検出器は位相を検出するように構成される。第二検出器４１２は、検出された電流と検出された位相を用いて、インダクタ４０２のインピーダンスを決定する。
【0064】
上述のように、第二検出器４１２は制御器４１０に通信可能に接続される。インダクタ４０２において検出されたインピーダンスは制御器４１０に伝達される。本実施形態では、第二検出器４１２は制御器４１０に電気的に接続される。インダクタにおいて検出されたインピーダンスは、制御器４１０と第二検出器４１２との間の有線接続を介して制御器４１０に伝達される。
【0065】
本実施形態では、制御器４１０はマイクロコントローラである。制御器４１０はマイクロコントローラとして説明されているものであるが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、制御器４１０は、ソフトウェア、ハードウェア、デジタルロジックコントローラ（ＤＬＣ）、マイクロプロセッサのうちの一つ以上を備える。
【0066】
他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、検出されたインピーダンスは無線通信で制御器４１０に送信される。制御器４１０と第一検出器４０８は有線接続を介しては電気的に接続されない。制御器４１０と第二検出器４１２は有線接続を介しては電気的に接続されない。更に、他の実施形態では、制御器４１０は、無線通信を介して切り替えネットワーク４０４に制御信号を伝達するように構成される。制御器４１０は、有線接続を介しては切り替えネットワーク４０４に電気的に接続されない。例示的な無線通信方式としてＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）が挙げられる。
【0067】
動作時には、第一検出器４０８は、容量性電極４０６において示されるインピーダンスを検出する。少なくとも一つの受電共振器が二つ以上の容量性電極４０６（容量性電極４０６のサブセット、又は、全ての容量性電極４０６）に提示され、検出されるインピーダンスは閾値インピーダンスよりも大きい場合、第一検出器４０８は、検出されたインピーダンスを制御器４１０に送信する。閾値インピーダンスは、送電共振器４００を共振周波数で共振させることができるインピーダンス範囲の最低値である。本実施形態では、共振周波数は１３．５６ＭＨｚである。第二検出器４１２はインダクタ４０２のインピーダンスを検出する。第二検出器４１２は、インダクタ４０２において検出されたインピーダンスを制御器４１０に送信する。制御器４１０は、どの電極４０６で示されているインピーダンスなのかを決定するロジックを適用する。
【0068】
システムに受電器を配置する際にどの送電容量性電極４０６を送電インダクタ４０２に接続すべきなのかを見つけ出すのに二分探索（これに限定されない）等のアルゴリズムの使用をロジックが含み得ることを当業者は認識するものである。他の実施形態では、所与のワイヤレス電力伝送システムの既知の制約に応じて、受電共振器の可能なサイズと形状に関するより多くの情報が、より複雑で時間効率的なアルゴリズムを含むロジックをシステム内で使用可能にする。他の実施形態では、ロジックは、システムが受電器を素早く見つけ出すことを補助するように遺伝的アルゴリズムをニューラルネットワークと組み合わせて実施することを含み得る。他のアルゴリズムも可能であることを当業者は認識するものである。
【0069】
次いで、制御器４１０は、受信共振器に対して示されている二つ以上の電極４０６をインダクタ４０２に接続し、他の全ての電極４０６をインダクタ４０２から接続解除するように切り替えネットワーク４０４に信号を送信する。制御器４１０は、容量性電極４０６において示され第一検出器４０８で検出されたインピーダンスを、第二検出器４１２で検出されたインダクタ４０２のインピーダンスと比較して、インダクタ４０２が、送電共振器４００を共振周波数で共振させるインピーダンス範囲内のインピーダンスを有していることを保証する。インダクタ４０２がそのインピーダンス範囲内のインピーダンスを有している場合、制御器４１０は更なる動作を行わない。インダクタ４０２がそのインピーダンス範囲内に無いインピーダンスを有している場合、制御器４１０は、切り替えネットワーク４０４に対する命令によって、全ての容量性電極４０６をインダクタ４０２から接続解除する。これは、送電共振器４００の部品が損傷しないことを保証する。
【0070】
二つ以上の電極４０６が切り替えネットワーク４０４を介してインダクタ４０２に接続される場合、二つ以上の電極４０６は共振周波数においてインダクタ４０２と共振して電場を発生させる。同じ共振周波数に同調されている受電共振器は、共振電場結合を介して電場から電力を抽出する。送電共振器４００は電磁エネルギーを発生させ得るが、電力伝送の大部分は電場を介して生じる。磁気誘導又は共振磁気誘導を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。
【0071】
送電共振器３００と４００はワイヤレス電力伝送システムに組み込み可能である。図７は、そのような本開示の態様に係るワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号５００で示される）を示す。システム５００は送電器５０２と受電器５１０を備える。
【0072】
送電器５０２は、電源５０４と、インバータ５０６と、送電共振器４００を備える。電源５０４は、インバータ５０６に電力を供給するように構成される。電源はインバータ５０６に電気的に接続される。電源５０４は直流（ＤＣ）電力をインバータ５０６に供給する。インバータ５０６は、電源５０４からのＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換するように構成される。インバータ５０６は、電源５０４と送電共振器４００の第二検出器４１２とに電気的に接続される。本実施形態では、インバータ５０６はインピーダンス整合回路を備える。インピーダンス整合回路は、送電器５０２の入力インピーダンスを送電器の出力インピーダンスに整合させるように構成される。
【0073】
受電器５１０は、負荷５１２と、整流器５１４と、受電共振器５２０を備える。負荷５１２は、電力を必要とするデバイスを備える。例えば、負荷５１２は電池を備える。負荷５１２は整流器５１４に電気的に接続される。整流器５１４は、受電共振器５２０からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換するように構成される。整流器５１４は負荷５１２と受電共振器５２０に電気的に接続される。
【0074】
受電共振器５２０は、送電共振器４００が発生させた電場から共振電場結合を介して電力を抽出するように構成される。受電共振器５２０は、二つの受電インダクタ５２２と、二つの受電容量性電極５２６を備える。本実施形態では、受電共振器は受電パッシブ電極５３０を更に備える。
【0075】
受電インダクタ５２２は、送電共振器４００と同じ共振周波数を有する電場を発生させるように受電容量性電極５２６と共振するように構成される。各受電インダクタ５２２は単一の受電容量性電極５２６に接続される。本実施形態では、受電インダクタ５２２はフェライトコアインダクタである。受電インダクタ５２２は固定インダクタである。しかしながら他のコアも可能であることを当業者は理解するものである。
【0076】
複数の受電容量性電極５２６は同一平面上にある。本実施形態では、各受電容量性電極５２６は同一の寸法を有する平坦な正方形のプレート電極である。受電容量性電極５２６は、受電容量性電極５２６が送電共振器４００の二つの容量性電極４０６と重なって整列し得るように整列される。
【0077】
受電パッシブ電極５３０は、２０１８年９月２１日出願の米国特許出願第１６／１３８３４４号（特許文献３）（その関連箇所は参照として本願に組み込まれる）に記載のものである。受電パッシブ電極５３０は、受電容量性電極５２６に影響する環境要因を少なくとも部分的に排除するように受電容量性電極５２６を囲む。受電パッシブ電極５３０は受電容量性電極５２６に近接している。受電パッシブ電極５３０と受電容量性電極５２６は平行平面を有する。受電パッシブ電極５３０は細長素子を備える。細長素子は導電体製である。細長素子は、略矩形で平坦なプレート状であり、対向する主面を有する。
【0078】
動作時には、ＤＣ電力が電源５０４からインバータ５０６に伝送される。インバータ５０６はＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＡＣ電力は送電共振器４００に伝送される。第一検出器４０８は、容量性電極４０６において示されるインピーダンスを検出する。受電共振器５２０の受電容量性電極５２６が送電共振器４００の容量性電極４０６のうち二つ（容量性電極４０６のサブセット）と少なくとも部分的に整列していて、検出されたインピーダンスが閾値インピーダンスよりも大きい場合、第一検出器４０８は、検出されたインピーダンスを制御器４１０に送信する。閾値インピーダンスは、送電共振器４００を共振周波数で共振させることができるインピーダンス範囲の最低値である。本実施形態では、共振周波数は１３．５６ＭＨｚである。第二検出器４１２はインダクタ４０２のインピーダンスを検出する。第二検出器４１２は、インダクタ４０２で検出されたインピーダンスを制御器４１０に送信する。制御器４１０は、どの電極４０６で示されているインピーダンスなのかを決定するロジックを適用する。
【0079】
システムに受電器を配置する際にどの送電容量性電極４０６を送電インダクタ４０２に接続すべきなのかを見つけ出すのに二分探索（これに限定されない）等のアルゴリズムの使用をロジックが含み得ることを当業者は認識するものである。他の実施形態では、所与のワイヤレス電力伝送システムの既知の制約に応じて、受電共振器の可能なサイズと形状に関するより多くの情報が、より複雑で時間効率的なアルゴリズムを含むロジックをシステム内で使用可能にする。他の実施形態では、ロジックは、システムが受電器を素早く見つけ出すことを補助するように遺伝的アルゴリズムをニューラルネットワークと組み合わせて実施することを含み得る。他のアルゴリズムも可能であることを当業者は認識するものである。
【0080】
次いで、制御器４１０は、受電容量性電極５２６に対して示されている二つ以上の電極４０６をインダクタ４０２に接続し、他の全ての電極４０６をインダクタ４０２から接続解除するように切り替えネットワーク４０４に信号を送信する。制御器４１０は、容量性電極４０６において示され第一検出器４０８で検出されたインピーダンスを、第二検出器４１２で検出されたインダクタ４０２のインピーダンスと比較して、インダクタ４０２が、送電共振器４００を共振周波数で共振させるインピーダンス範囲内のインピーダンスを有していることを保証する。インダクタ４０２がそのインピーダンス範囲内のインピーダンスを有している場合、制御器４１０は更なる動作を行わない。
【0081】
インバータ５０６からのＡＣ電力は、二つの電極４０６とインダクタ４０２を励起して、二つの電極４０６とインダクタ４０２を共振周波数において共振させて、電場を発生させる。同じ共振周波数に同調されている受電共振器５２０は、共振電場結合を介して電場から電力を抽出する。送電共振器４００は電磁エネルギーを発生させ得るが、電力伝送の大部分は電場を介して生じる。磁気誘導又は共振磁気誘導を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。受電共振器５２０において受電された電力は、負荷５１２に適用された整流器５１４によってＡＣ電力からＤＣ電力に変換される。
【0082】
インダクタ４０２で検出されたインピーダンスが、インピーダンス範囲内に無い場合、制御器４１０は、切り替えネットワーク４０４に送信される信号を介して、全ての容量性電極４０６をインダクタ４０２から接続解除する。これは、送電共振器４００の部品が損傷しないことを保証する。
【0083】
受電共振器５２０の受電容量性電極５２６が送電共振器４００の容量性電極４０６のうち少なくとも二つと最早十分に整列していなくなると、第一検出器４０８は、送電共振器４００の各電極４０６において示されているインピーダンスが、送電共振器４００を共振周波数で共振させるインピーダンス範囲外であることを検出する。第一検出器４０８は、検出されたインピーダンスを制御器４１０に送信する。制御器４１０はロジックを適用して、受電容量性電極５２６が最早十分に整列していないことを決定する。
【0084】
システムに受電器を配置する際にどの送電容量性電極４０６を送電インダクタ４０２に接続すべきなのかを見つけ出すのに二分探索（これに限定されない）等のアルゴリズムの使用をロジックが含み得ることを当業者は認識するものである。他の実施形態では、所与のワイヤレス電力伝送システムの既知の制約に応じて、受電共振器の可能なサイズと形状に関するより多くの情報が、より複雑で時間効率的なアルゴリズムを含むロジックをシステム内で使用可能にする。他の実施形態では、ロジックは、システムが受電器を素早く見つけ出すことを補助するように遺伝的アルゴリズムをニューラルネットワークと組み合わせて実施することを含み得る。他のアルゴリズムも可能であることを当業者は認識するものである。
【0085】
制御器４１０は、送電共振器４００の容量性電極４０６のいずれもインダクタ４０２に接続されるべきではないことを決定する。次いで、制御器４１０は、全ての容量性電極４０６をインダクタ４０２から接続解除するように切り替えネットワーク４０４に信号を送信し、電力が送電共振器４００から伝送されないようにする。
【0086】
受電容量性電極５２６が、送電共振器４００の別の二つの容量性電極４０６と整列するように移動すると、第一検出器４０８は、以前の整列した二つの容量性電極４０６において示されるインピーダンスが閾値インピーダンス未満に低下していて、別の二つの容量性電極４０６において示されるインピーダンスが閾値インピーダンスよりも大きいことを検出する。第一検出器４０８は、検出された全てのインピーダンスを制御器４１０に送信する。次いで、制御器４１０は、以前の整列していた二つの容量性電極４０６をインダクタ４０２から接続解除し、別の二つの容量性電極４０６をインダクタ４０２に接続するように信号を送信する。インバータ５０６からのＡＣ電力は、別の二つの電極４０６とインダクタ４０２を励起して、別の二つの電極４０６とインダクタ４０２を共振周波数で共振させて、電場を発生させる。同じ共振周波数に同調されている受電共振器５２６は、共振電場結合を介して電場から電力を抽出する。送電共振器４００は電磁エネルギーを発生させ得るが、電力伝送の大部分は電場を介して生じる。磁気誘導又は共振磁気誘導を介して伝送される電力はあったとしても僅かである。受電共振器５２０で受電された電力は、負荷５１２に適用されている整流器５１４によってＡＣ電力からＤＣ電力に変換される。
【0087】
本開示のワイヤレス電力伝送システム５００は、受電共振器５２０が送電共振器４００の容量性電極４０６のグリッドの周りで移動することを許容し、それでも送電器５０２から受電器５１０への電力伝送に必要な共振電場結合を維持することを理解されたい。
【0088】
ワイヤレス電力伝送システム５００の動作を、受電容量性電極５２６が送電共振器４００の容量性電極４０６と重なって整列している場合について説明してきたが、受電容量性電極５２６が送電共振器４００の容量性電極４０６と十分に重なっていない及び／又は十分に整列していない場合でも、ワイヤレス電力伝送は可能である。
【0089】
図８は、概して参照番号６００で示される部分的ワイヤレス電力伝送システムを示す。ワイヤレス電力伝送システム６００は、特に断らない限りは前述のワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム６００は、送電共振器４００を備える送電器５０２を備える。本実施形態では、送電共振器４００の容量性電極４０６はグリッドパターンで配置され、Ｎ（グリッドの列数）は３であり、Ｍ（グリッドの行数）は３である。
【0090】
ワイヤレス電力伝送システム６００は受電器５１０を更に備える。本実施形態では、受電容量性電極５２６は、送電共振器４００の容量性電極４０６と部分的にしか重ならない。本実施形態では、受電容量性電極５２６は、送電共振器４００の容量性電極４０６と整列していない。
【0091】
それでも動作時には、第一検出器４０８は、受電容量性電極５２６が部分的に重なっている送電共振器４００の二つの容量性電極４０６とインダクタ４０２を共振させて電場を発生させ、また、受電容量性電極５２６が同じく部分的に重なっている送電共振器４００の別の二つの容量性電極４０６とインダクタ４０２を共振させるのに十分なインピーダンスを受電共振器５２０から検出し得る。受電共振器５２０は送電共振器４００の共振周波数で共振し、両方から発生した電場から共振電場結合を介して電力を抽出する。各電場からの電力伝送の効率は、受電容量性電極５２６と送電共振器４００の容量性電極４０６が整列している場合に発生する一つの電場からの電力伝送の効率よりも低くなり得るが、それでも、同量のワイヤレス電力伝送が生じ得る。
【0092】
単一の受電器５１０を有する特定のワイヤレス電力伝送システム５００を説明してきたが、ワイヤレス電力伝送システムが複数の受電器を備え得ることを当業者は理解するものである。図９は、概して参照番号７００で示される部分的ワイヤレス電力伝送システムを示す。ワイヤレス電力伝送システム７００は、特に断らない限りは前述のワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム７００は、送電共振器４００を備える送電器５０２を備える。本実施形態では、送電共振器４００の容量性電極４０６はグリッドパターンで配置され、Ｎ（グリッドの列数）は４であり、Ｍ（グリッドの行数）は４である。
【0093】
ワイヤレス電力伝送システム７００は、受電共振器５２０を備える受電器５１０を更に備える。受電共振器５２０の二つの受電容量性電極５２６は、送電共振器４００の容量性電極４０６のうち二つと重なって整列し、送電共振器４００から受信共振器５２０に共振電場結合を介して電力が伝送されるようになっている。
【0094】
ワイヤレス電力伝送システム７００は第二受電器を更に備える。第二受電器は特に断らない限りは受電器５１０と同一である。第二受電器は、四つの容量性受電電極を備える第二受電共振器を備える。第二受電共振器は第二受電パッシブ電極７０４を更に備える。
【0095】
第二受電パッシブ電極７０４は、２０１８年９月２１日出願の米国特許出願第１６／１３８３４４号（特許文献３）（その関連箇所は参照として本願に組み込まれる）に記載のものである。第二受電パッシブ電極７０４は、受電容量性電極に影響する環境要因を少なくとも部分的に排除するように第二受電共振器の受電容量性電極を囲む。第二受電パッシブ電極７０４は第二受電共振器の受電容量性電極に近接している。第二受電パッシブ電極７０４と第二受電共振器の受電容量性電極は平行平面を有する。第二受電パッシブ電極７０４は細長素子を備える。細長素子は導電体製である。細長素子は、略矩形で平坦なプレート状であり、対向する主面を有する。
【0096】
本実施形態では、第二受電器の容量性受電電極は、２×２のグリッドパターンで配置され、送電共振器４００の容量性電極４０６と同一の近接電極間の間隔を有する。第二受電共振器の容量性受電電極は、送電共振器４００の容量性電極４０６と同一の寸法にされる。第二受電共振器の受電容量性電極は、送電共振器４００の容量性電極４０６のうち四つと重なって整列し、送電共振器４００から第二受電共振器に共振電場結合を介して電力が伝送されるようになっている。
【0097】
図９に示されるように、送電共振器４００は、複数の受電共振器に同時に電力を提供し得る。第一検出器４０８が送電共振器４００の各容量性電極４０６のインピーダンスを検出するので、送電共振器４００に対して複数の受電共振器が提示されている際に第一検出器４０８は複数の容量性電極４０６の複数のインピーダンスを検出する。
【0098】
特定のワイヤレス電力伝送システムを説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解されたい。図１０は、概して参照番号１０００で示される部分的ワイヤレス電力伝送システムを示す。ワイヤレス電力伝送システム１０００は、特に断らない限りは前述のワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。本実施形態では、送電共振器４００の容量性電極４０６はグリッドパターンで配置され、Ｎ（グリッドの列数）は５であり、Ｍ（グリッドの行数）は５である。各送電容量性電極４０６は、５０ｍｍの幅（Ｗ）と、５０ｍｍの長さ（Ｌ）を有する。近接容量性電極４０６間のギャップ（Ｇ）は１０ｍｍである。受電容量性電極５２６はその位置を例示するためだけに示されている。受電パッシブ電極５３０が動作時には受電容量性電極５２６を視界から遮ることを当業者は理解されたい。送電共振器４００の容量性電極４０６と同様に、各受電容量性電極５２６は、５０ｍｍの幅（Ｗ）と、５０ｍｍの長さ（Ｌ）を有する。更に、各受電容量性電極５２６は１０ｍｍのギャップ（Ｇ）で離隔される。ワイヤレス電力伝送システム１０００は、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で動作する。インダクタ４０２（図示せず）のインダクタンスは６０μＨである。
【0099】
特定の容量性電極３０６と４０６について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図１１は他の実施形態の送電共振器の容量性電極（概して参照番号１２０６で示される）とパッシブ電極１２２０を示す。
【0100】
容量性電極１２０６、パッシブ電極１２２０は、特に断らない限りはそれぞれ容量性電極３０６、パッシブ電極３２０と同一である。本実施形態では、容量性電極１２０６は、十二（１２）個の容量性電極を備える。容量性電極１２０６は円形パターンで配置される。容量性電極１２０６は概して内側リングと外側リングの二つのリングで配置される。内側リングは外側リングによって囲まれる。各容量性電極１２０６は内側リングと外側リングの一方の部分（セグメント）である。複数の容量性電極１２０６はｘｙ平面内で同一平面上にある。本実施形態では、各容量性電極１２０６は平坦な電極である。各容量性電極１２０６は略円形のリングの部分（セグメント）である。
【0101】
パッシブ電極１２２０は一つの素子を備える。素子は導電体製である。素子は、略円形で平坦なプレート状であり、対向する主面を有する。素子は外側リングと内側リングを囲む。パッシブ電極１２２０によって画定される平面は、容量性電極１２０６によって画定される平面と平行である。
【0102】
ワイヤレス電力伝送システム５００は、固定インダクタンスを有するインダクタ４０２を有する送電共振器４００を備える送電器５０２を備える。インダクタ４０２の固定インダクタンスが、送電共振器４００の複数の容量性電極４０６を利用して電力を伝送する性能を制限し得る。送電共振器４００の複数の容量性電極４０６を介した電力伝送は、送電側のキャパシタンスを変化させて、ワイヤレス電力伝送システム５００を離調させ、顕著にワイヤレス電力伝送効率を低下させ、損失を増大させ得る。
【0103】
特定のワイヤレス電力伝送システム５００について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図１２は、他の実施形態のワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号１３００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム１３００は、特に断らない限りは前述のワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム１３００は送電器１３０２と受電器５１０を備える。
【0104】
送電器１３０２は、電源５０４と、インバータ５０６と、送電共振器１３１０を備える。電源５０４はインバータ５０６に電気的に接続され、インバータ５０６は送電共振器１３１０に電気的に接続される。送電共振器１３１０は、二つの可変インダクタ１３１２と、切り替えネットワーク１３１４と、容量性電極１３２６と、検出器と、制御器１３２０を備える。本実施形態では、送電共振器１３１０はパッシブ電極１３３０を更に備える。更に、検出器は第一検出器１３１８と第二検出器１３３２を備える。インバータ５０６は第二検出器１３３２に電気的に接続される。第二検出器１３３２は可変インダクタ１３１２に電気的に接続される。第二検出器１３３２は制御器１３２０に通信可能に接続される。可変インダクタ１３１２は切り替えネットワーク１３１４に電気的に接続される。制御器１３２０は各可変インダクタ１３１２に電気的に接続される。切り替えネットワーク１３１４は容量性電極１３２６に電気的に接続される。制御器１３２０は切り替えネットワーク１３１４に通信可能に接続される。第一検出器１３１８は制御器１３２０に通信可能に接続される。
【0105】
本実施形態では、第一検出器１３１８と第二検出器１３３２は有線接続を介して制御器１３２０に通信可能に接続される。更に、本実施形態では、制御器１３２０は有線接続を介して切り替えネットワーク１３１４に通信可能に接続される。他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、第一検出器１３１８、第二検出器１３３２及び／又は切り替えネットワーク１３１４は有線接続を介しては制御器１３２０に電気的に接続されない。検出器１３１８と１３３２は、検出されたインピーダンスを無線通信を介して制御器１３２０に伝達するように構成される。制御器１３２０は無線通信を介して切り替えネットワーク１３１４に制御信号を送信するように構成される。例示的な無線通信方式としてＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）が挙げられる。
【0106】
切り替えネットワーク１３１４、容量性電極１３２６、制御器１３２０、パッシブ電極１３３０はそれぞれ特に断らない限りは前述の切り替えネットワーク４０４、容量性電極４０６、制御器４１０、パッシブ電極４２０と同一である。第一検出器１３１８、第二検出器１３３２はそれぞれ特に断らない限りは前述の第一検出器４０８、第二検出器４１２と同一である。
【0107】
本実施形態では、以下で説明するように、可変インダクタ１３１２は共振周波数で容量性電極１３２６と共振して電場を発生させるように構成される。本実施形態では、インダクタ１３１２はフェライトコアインダクタである。しかしながら、他のコアも可能であることを当業者は理解するものである。更に、二つよりも多くのインダクタ１３１２や二つよりも少ないインダクタ１３１２が使用可能であることを当業者は理解するものである。
【0108】
動作時には、ワイヤレス電力システム１３００は特に断らない限りはワイヤレス電力システム５００と同様に動作する。制御器１３２０は、第一検出器１３１８と第二検出器１３３２からインピーダンスを受信して、電場結合を最大にするように可変インダクタ１３１２のインダクタンスを調節する。
【0109】
特定のワイヤレス電力伝送システム５００について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図１３は、他の実施形態のワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号１４００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム１４００は、特に断らない限りは前述のワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム１４００は送電器１４０２と受電器５１０を備える。
【0110】
送電器１４０２は、電源５０４と、インバータ５０６と、送電共振器１４１０を備える。電源５０４はインバータ５０６に電気的に接続され、インバータ５０６は送電共振器１４１０に電気的に接続される。送電共振器１４１０は、可変インダクタ１４１２と、切り替えネットワーク１４１４と、容量性電極１４２６と、検出器と、制御器１４２０を備える。本実施形態では、送電共振器１４１０はパッシブ電極１４３０を更に備える。更に、検出器は第一検出器１４１８と第二検出器１４３２を備える。インバータ５０６は第二検出器１４３２に電気的に接続される。第二検出器１４３２は切り替えネットワーク１４１４に電気的に接続される。第二検出器１４３２は制御器１４２０に通信可能に接続される。切り替えネットワーク１４１４は可変インダクタ１４１２に電気的に接続される。可変インダクタ１４１２は容量性電極１４２６に電気的に接続される。第一検出器１４１８は制御器１４２０に通信可能に接続される。制御器１４２０は各可変インダクタ１４１２と切り替えネットワーク１４１４に電気的に接続される。制御器１４２０は切り替えネットワーク１４１４に通信可能に接続される。第一検出器１４１８は制御器１４２０に通信可能に接続される。
【0111】
本実施形態では、第一検出器１４１８と第二検出器１４３２は有線接続を介して制御器１４２０に通信可能に接続される。更に、本実施形態では、制御器１４２０は有線接続を介して切り替えネットワーク１４１４に通信可能に接続される。他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、第一検出器１４１８、第二検出器１４３２及び／又は切り替えネットワーク１４１４は有線接続を介しては制御器１４２０に電気的に接続されない。検出器１４１８と１４３２は、検出されたインピーダンスを無線通信を介して制御器１４２０に伝達するように構成される。制御器１４２０は無線通信を介して切り替えネットワーク１４１４に制御信号を送信するように構成される。例示的な無線通信方式としてＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）が挙げられる。
【0112】
切り替えネットワーク１４１４、容量性電極１４２６、制御器１４２０、パッシブ電極１４３０はそれぞれ特に断らない限りは前述の切り替えネットワーク４０４、容量性電極４０６、制御器４１０、パッシブ電極４２０と同一である。第一検出器１４１８、第二検出器１４３２はそれぞれ特に断らない限りは前述の第一検出器４０８、第二検出器４１２と同一である。
【0113】
本実施形態では、各容量性電極１４２６に対して一つの可変インダクタ１４１２が存在する。各容量性電極１４２６は単一の可変インダクタ１４１２を介して切り替えネットワーク１４１４に接続される。以下で説明するように、可変インダクタ１４１２は共振周波数で容量性電極１４２６と共振して電場を発生させるように構成される。本実施形態では、インダクタ１４１２はフェライトコアインダクタである。しかしながら、他のコアも可能であることを当業者は理解するものである。
【0114】
動作時には、ワイヤレス電力システム１４００は特に断らない限りはワイヤレス電力システム５００と同様に動作する。制御器１４２０は、第一検出器１４１８と第二検出器１４３２からインピーダンスを受信して、電場結合を最大にするように可変インダクタ１４１２のインダクタンスを調節する。切り替えネットワーク１４１４は、可変インダクタ１４１２と第二検出器１４３２との間の接続を開閉して、受電共振器に対して示されている容量性電極１４２６のみが関連の可変インダクタ１４１２と共振して電場を発生させるようにする。
【0115】
特定のワイヤレス電力伝送システム５００について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図１４は、他の実施形態のワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号１５００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム１５００は、特に断らない限りは前述のワイヤレス電力伝送システム１４００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム１５００は送電器１５０２と受電器５１０を備える。
【0116】
送電器１５０２は、電源５０４と、インバータ５０６と、送電共振器１５１０を備える。電源５０４はインバータ５０６に電気的に接続され、インバータ５０６は送電共振器１５１０に電気的に接続される。送電共振器１５１０は、インダクタ１５１２と、切り替えネットワーク１５１４と、容量性電極１５２６と、検出器と、制御器１５２０を備える。本実施形態では、送電共振器１５１０はパッシブ電極１５３０を更に備える。更に、検出器は第一検出器１５１８と第二検出器１５３２を備える。インバータ５０６は第二検出器１５３２に電気的に接続される。第二検出器１５３２は切り替えネットワーク１５１４に電気的に接続される。第二検出器１５３２は制御器１５２０に通信可能に接続される。切り替えネットワーク１５１４はインダクタ１５１２に電気的に接続される。インダクタ１５１２は容量性電極１５２６に電気的に接続される。第一検出器１５１８は制御器１５２０に通信可能に接続される。切り替えネットワーク１５１４は各インダクタ１５１２に電気的に接続される。制御器１５２０は切り替えネットワーク１５１４に通信可能に接続される。
【0117】
本実施形態では、第一検出器１５１８と第二検出器１５３２は有線接続を介して制御器１５２０に通信可能に接続される。更に、本実施形態では、制御器１５２０は有線接続を介して切り替えネットワーク１５１４に通信可能に接続される。他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、第一検出器１５１８、第二検出器１５３２及び／又は切り替えネットワーク１５１４は有線接続を介しては制御器１５２０に電気的に接続されない。検出器１５１８と１５３２は、検出されたインピーダンスを無線通信を介して制御器１５２０に伝達するように構成される。制御器１５２０は無線通信を介して切り替えネットワーク１５１４に制御信号を送信するように構成される。例示的な無線通信方式としてＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）が挙げられる。
【0118】
本実施形態では、各容量性電極１５２６に対して一つのインダクタ１５１２が存在する。各容量性電極１５２６は単一のインダクタ１５１２を介して切り替えネットワーク１５１４に接続される。以下で説明するように、インダクタ１５１２は共振周波数で容量性電極１５２６と共振して電場を発生させるように構成される。インダクタ１５１２は固定インダクタである。本実施形態では、インダクタ１５１２はフェライトコアインダクタである。しかしながら、他のコアも可能であることを当業者は理解するものである。
【0119】
動作時には、ワイヤレス電力システム１５００は、インダクタ１５１２が固定インダクタである以外はワイヤレス電力システム１４００と同様に動作する。
【0120】
特定のワイヤレス電力伝送システム５００について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図１５は、他の実施形態の部分的ワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号１６００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム１６００は、特に断らない限りはワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム１６００は送電器と受電器を備える。送電器は、電源（図示せず）と、インバータ（図示せず）と、送電共振器を備える。電源はインバータに電気的に接続される。インバータは送電共振器に電気的に接続される。
【0121】
送電共振器は、前述のように電場を発生させて一つ以上の受電共振器に電力を伝送するように構成される。送電共振器は二つのインダクタ（図示せず）と二つの送電容量性電極１２１０を備える。インダクタは送電容量性電極１２１０に電気的に接続される。送電容量性電極１２１０はリングの部分（セグメント）である。送電容量性電極１２１０は、外側リングの部分である第一部分と、内側リングの部分である第二部分を備える。本実施形態では、各送電容量性電極１２１０は平坦な電極である。複数の送電容量性電極１２１０は同一平面上にある。
【0122】
受電器は、受電共振器と、負荷（図示せず）と、整流器（図示せず）を備える。負荷は整流器に電気的に接続される。整流器は受電共振器に電気的に接続される。負荷、整流器は、それぞれ負荷５１２、整流器５１４と同一であるので、以下では更に説明しない。受電共振器は、送電共振器４００が発生させた電場から共振電場結合を介して電力を抽出するように構成される。受電共振器は、二つのインダクタ（図示せず）と、受電容量性電極１６０６と、切り替えネットワーク（図示せず）と、検出器と、制御器（図示せず）を備える。切り替えネットワーク、検出器、制御器は、特に断らない限りは前述の送電共振器４００の切り替えネットワーク４０４、検出器、制御器４１０と同一である。インダクタは受電容量性電極１６０６に電気的に接続される。
【0123】
受電容量性電極１６０６は特に断らない限りは容量性電極４０６と同一である。本実施形態では、受電容量性電極１６０６は十二（１２）個の容量性電極を備える。受電容量性電極１６０６は円形パターンで配置される。受電容量性電極１６０６は概して内側リングと外側リングの二つのリングで配置される。内側リングは外側リングによって囲まれる。各受電容量性電極１６０６は内側リングと外側リングの一方の部分（セグメント）である。複数の容量性電極１６０６は同一平面上にある。本実施形態では、各受電容量性電極１６０６は平坦な電極である。
【0124】
図１６は、他の実施形態の部分的ワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号１７００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム１７００は、特に断らない限りはワイヤレス電力伝送システム１６００と同一である。ワイヤレス電力伝送システム１７００は送電器と受電器を備える。送電器は、電源（図示せず）と、インバータ（図示せず）と、送電共振器を備える。電源はインバータに電気的に接続される。インバータは送電共振器に電気的に接続される。
【0125】
送電共振器は、前述のように電場を発生させて一つ以上の受電共振器に電力を伝送するように構成される。送電共振器は二つのインダクタ（図示せず）と二つの送電容量性電極１２１２を備える。インダクタは送電容量性電極１２１２に電気的に接続される。送電容量性電極１２１２はリングの部分（セグメント）である。送電容量性電極１２１２は、外側リングの部分である第一部分と、内側リングの部分である第二部分を備える。本実施形態では、各送電容量性電極１２１２は平坦な電極である。複数の送電容量性電極１２１２は同一平面上にある。
【0126】
受電器は、受電共振器と、負荷（図示せず）と、整流器（図示せず）を備える。負荷は整流器に電気的に接続される。整流器は受電共振器に電気的に接続される。負荷、整流器は、それぞれ負荷５１２、整流器５１４と同一であるので、以下では更に説明しない。受電共振器は、送電共振器４００が発生させた電場から共振電場結合を介して電力を抽出するように構成される。受電共振器は、二つの受電インダクタ（図示せず）と、二つの受電容量性電極１７０６を備える。インダクタは受電容量性電極１７０６に電気的に接続される。
【0127】
受電容量性電極１７０６は特に断らない限りは容量性電極４０６と同一である。本実施形態では、受電容量性電極１７０６は外側リング電極と内側リング電極の二つリング電極を備える。内側リング電極は外側リング電極によって囲まれる。複数の受電容量性電極１７０６は同一平面上にある。本実施形態では、各受電容量性電極１７０６は平坦な電極である。
【0128】
ワイヤレス電力伝送システム１６００と１７００に対してシミュレーションを行った。図１５に示されるように、二つの送電容量性電極１２１０は受電容量性電極１６０６のうち二つと重なって整列する。
【0129】
本実施形態では、外側受電容量性電極１６０６と外側送電容量性電極１２１０は１２００ｍｍの外側半径と１０００ｍｍの内側半径を有する。内側受電容量性電極１６０６と内側送電容量性電極１２１０は７００ｍｍの外側半径と４００ｍｍの内側半径を有する。各受電容量性電極１６０６は同じリング内で近接する受電容量性電極１６０６から１００ｍｍで離隔される。内側受電容量性電極１６０６の外側半径と外側受電容量性電極１６０６の内側半径との間のギャップは３００ｍｍである。同様に、内側送電容量性電極１２１０の外側半径と外側送電容量性電極１２１０の内側半径との間のギャップは３００ｍｍである。ワイヤレス電力伝送システム１６００は送電共振器から受電共振器に４５ワットの電力を伝送する。送電共振器と受電共振器との間の離隔距離は１００ｍｍである。共振器同士の間の電力伝送の無線周波数（ＲＦ）効率は９８．２％である。ワイヤレス電力伝送システム１６００の共振周波数は１３．５６ＭＨｚである。送電共振器のインダクタのインダクタンスは５．７μＨである。受電共振器のインダクタのインダクタンスは８．８μＨである。
【0130】
図１６に示されるように、送電容量性電極１２１２は受電容量性電極１７０６と重なる。本実施形態では、外側受電容量性電極１７０６と外側送電容量性電極１２１２は１２００ｍｍの外側半径と１０００ｍｍの内側半径を有する。内側受電容量性電極１７０６と内側送電容量性電極１２１２は７００ｍｍの外側半径と４００ｍｍの内側半径を有する。内側受電容量性電極１７０６の外側半径と外側受電容量性電極１７０６の内側半径との間のギャップは３００ｍｍである。同様に、内側送電容量性電極１２１２の外側半径と外側送電容量性電極１２１２の内側半径との間のギャップは３００ｍｍである。ワイヤレス電力伝送システム１７００は送電共振器から受電共振器に４５ワットの電力を伝送する。送電共振器と受電共振器との間の離隔距離は１００ｍｍである。共振器同士の間の電力伝送のＲＦ効率は９７．８％である。ワイヤレス電力伝送システム１７００の共振周波数は１３．５６ＭＨｚである。送電共振器のインダクタのインダクタンスは４．６μＨである。受電共振器のインダクタのインダクタンスは１．２μＨである。
【0131】
シミュレーションの結果が図１７と図１８に示されている。図１７はワイヤレス電力伝送システム１６００の電場のグラフである。具体的には、図１７はワイヤレス電力伝送システム１６００の送電共振器と受電共振器との間の中心面上で描写された電場を示す。
【0132】
【0133】
図１７と図１８の両方において、送電容量性電極１２１０、１２１２がそれぞれ受電容量性電極１６０６、１７０６と重なる領域内において電場が強い。送電容量性電極１２１０が受電容量性電極１６０６と重ならない領域内のワイヤレス電力伝送システム１６００の電場は、送電容量性電極１２１２が受電容量性電極１７０６と重ならない領域内のワイヤレス電力伝送システム１７００の電場よりも弱い。従って、ワイヤレス電力伝送システム１６００はワイヤレス電力伝送システム１７００よりも良好に電場を閉じ込める。閉じ込めの改善は人間がＲＦ場に晒されることを減らす。更に、閉じ込めの改善は電磁干渉（ＥＭＩ）を防止する。また、閉じ込めの改善は比吸収率（ＳＡＲ）の値を減らす。
【0134】
特定のワイヤレス電力伝送システム５００について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図１９は他の実施形態のワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号２０００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム２０００は特に断らない限りはワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。本実施形態では、送電共振器はグリッドパターンで存在する容量性電極２００６を備え、Ｎ（グリッドの列数）は２であり、Ｍ（グリッドの行数）は２である。本実施形態では、容量性電極２００６は矩形のプレート電極である。
【0135】
ワイヤレス電力伝送システム２０００に対してシミュレーションを行った。本実施形態では、各容量性電極２００６は３３０ｍｍの長さと１００ｍｍの幅を有する。容量性電極２００６の長辺同士の間のギャップは５０ｍｍである。容量性電極２００６の短辺同士の間のギャップは３０ｍｍである。受電容量性電極５２６は３３０ｍｍの長さと１００ｍｍの幅を有する。受電容量性電極同士の間のギャップは５０ｍｍである。送電共振器の容量性電極２００６と受電容量性電極５２６との間のギャップは２５ｍｍである。
【0136】
シミュレーション中に、受電容量性電極５２６は、送電共振器４００の二つの容量性電極２００６（Ｔｘ１）と重なって整列している最初の状態から移動する。そして、受電容量性電極５２６は、送電共振器４００の別の二つの容量性電極２００６（Ｔｘ２）に向けて、送電共振器４００のそれら別の二つの容量性電極２００６（Ｔｘ２）と重なって整列するまで移動した。
【0137】
図２０はワイヤレス電力伝送システム２０００のＲＦ効率のグラフである。ワイヤレス電力伝送システム２０００のＲＦ効率は、ワイヤレス電力伝送システム２０００の送電共振器４００と受電共振器５１０との間のワイヤレス電力伝送の効率として定義される。図２０の実線の曲線は、送電共振器４００の二つの容量性電極２００６（Ｔｘ１）が活性である場合を表す。図２０の破線の曲線は、送電共振器４００の別の二つの容量性電極２００６（Ｔｘ２）が活性である場合を表す。０ｍｍの距離は、受電容量性電極５２６がＴｘ１と重なって整列していることを示す。３６０ｍｍの距離は、受電容量性電極５２６がＴｘ２と重なって整列していることを示す。
【0138】
実線の垂線は、受電容量性電極５２６がＴｘ２と重なり始める距離を示す。破線の垂線は、受電容量性電極５２６がＴｘ１と重ならなくなる距離を示す。電場を発生させて受電共振器５１０に電力を伝送する容量性電極２００６の対を切り替えることによって、ＲＦ効率が受電容量性電極５２６の移動中に９０％を超えたままとなることができる。１５０から２５０ｍｍの間の距離では、効率的なワイヤレス電力伝送がＴｘ１又はＴｘ２のいずれかで達成される。
【0139】
図２１は、ワイヤレス電力伝送システム２０００の送電共振器４００の入力インピーダンスのグラフである。実線の曲線は、Ｔｘ１が電場を発生させ受電共振器５１０に電力を伝送し、Ｔｘ２が電場を発生させていない場合を表す。破線の曲線は、Ｔｘ２が電場を発生させ受電共振器５１０に電力を伝送し、Ｔｘ１が電場を発生させていない場合を表す。受電容量性電極５２６がＴｘ１又はＴｘ２と重なって完全に整列している場合、入力インピーダンスは略３８０Ωである。受電容量性電極５２６がＴｘ１又はＴｘ２のいずれかから離れていくと、入力インピーダンスが減少する。１８０ｍｍの距離において、受電容量性電極５２６はＴｘ１とＴｘ２との間に中心があり、入力インピーダンスは１２０Ωである。本実施形態では、この値が閾値インピーダンスとなり得る。従って、容量性電極２００６のいずれかの対が１２０Ω以上のインピーダンスで示されると、上述のように特定の容量性電極２００６がインダクタと共振する。
【0140】
特定のワイヤレス電力伝送システム５００について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。図２２と図２３は、他の実施形態の部分的ワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号２３００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム２３００は特に断らない限りはワイヤレス電力伝送システム５００と同一である。
【0141】
本実施形態では、送電共振器はグリッドパターンで存在している容量性電極２３０６を備え、Ｎ（グリッドの列数）は７であり、Ｍ（グリッドの行数）は２である。本実施形態では、容量性電極２３０６は矩形のプレート電極である。本実施形態では、送電共振器は送電パッシブ電極２３２０を更に備える。送電パッシブ電極２３２０は特に断らない限りはパッシブ電極４２０と同一である。受電共振器は二つの容量性電極２３２６を備える。受電器は受電パッシブ電極２３３０を更に備える。受電パッシブ電極２３３０は特に断らない限りは受電パッシブ電極５３０と同一である。
【0142】
図２４は、他の実施形態の部分的ワイヤレス電力伝送システム（概して参照番号２４００で示される）を示す。ワイヤレス電力伝送システム２４００は特に断らない限りはワイヤレス電力伝送システム２３００と同一である。
【0143】
本実施形態では、送電共振器はグリッドパターンで存在している容量性電極２４０６を備え、Ｎ（グリッドの列数）は１であり、Ｍ（グリッドの行数）は２である。本実施形態では、容量性電極２４０６は矩形のプレート電極である。本実施形態では、送電共振器は送電パッシブ電極２４２０を更に備える。送電パッシブ電極２４２０は特に断らない限りはパッシブ電極４２０と同一である。受電共振器は二つの容量性電極２４２６を備える。受電器は受電パッシブ電極２４３０を更に備える。受電パッシブ電極２４３０は特に断らない限りは受電パッシブ電極５３０と同一である。
【0144】
ワイヤレス電力伝送システム２３００と２４００に対してシミュレーションを行った。本実施形態では、送電共振器の各容量性電極２３０６は３３０ｍｍの長さと１００ｍｍの幅を有する。送電共振器の容量性電極２３０６同士の長辺間のギャップは５０ｍｍである。容量性電極２３０６同士の短辺間のギャップは３０ｍｍである。各受電容量性電極２３２６は３３０ｍｍの長さと１００ｍｍの幅を有する。受電容量性電極２３２６同士の間のギャップは５０ｍｍである。送電共振器の容量性電極２３０６と受電容量性電極２３２６との間のギャップは２５ｍｍである。送電共振器の容量性電極２３０６と送電パッシブ電極２３２０との間のギャップは２５ｍｍである。受電容量性電極２３２６と受電パッシブ電極２３３０との間のギャップは２５ｍｍである。ワイヤレス電力伝送システム２３００は４５ワットの電力を伝送する。
【0145】
本実施形態では、各容量性電極２４０６は長さ２４９０ｍｍで幅１００ｍｍのものである。容量性電極２４０６同士の間のギャップは５０ｍｍである。各受電容量性電極２４２６は３３０ｍｍの長さと１００ｍｍの幅を有する。受電容量性電極２４２６同士の間のギャップは５０ｍｍである。送電共振器の容量性電極２４０６と受電容量性電極２４２６との間のギャップは２５ｍｍである。送電共振器の容量性電極２４０６と送電パッシブ電極２４２０との間のギャップは２５ｍｍである。受電容量性電極２４２６と受電パッシブ電極２４３０との間のギャップは２５ｍｍである。ワイヤレス電力伝送システム２４００は４５ワットの電力を伝送する。
【0146】
シミュレーションの結果が図２５に示されている。図２５は、送電共振器から１０ｍｍ離れて頭上に位置する人間の足の１０グラム平均質量についてのＳＡＲ（Ｗ／ｋｇ単位）のグラフである。シミュレーション中において最初に、受電容量性電極２３２６は、図２２に示されるように送電共振器の容量性電極２３０６のうち二つと整列していた。この構成は図２５において「Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｔｘ‐Ａｌｉｇｎｅｄ」と記されている。次いで、受電容量性電極２３２６は、送電共振器の別の二つの容量性電極２３０６に向けて、受電容量性電極２３２６が図２３に示されるように送電共振器の二組の近接容量性電極２３０６の間にくるまで移動した。この構成は図２５において「Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｔｘ‐Ｍｉｓａｌｉｇｎｅｄ」と記されている。ワイヤレス電力伝送システム２４００は図２５において「Ｌｏｎｇ Ｔｘ」と記されている。国際非電離放射線防護委員会（ＩＣＮＩＲＰ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｎｏｎ‐Ｉｏｎｉｚｉｎｇ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）のＲＦ曝露限界は図２５において「ＩＣＮＩＲＰ ＲＦ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｌｉｍｉｔ」と記されている。
【0147】
図２５に示されるように、受電容量性電極２３２６は送電共振器の容量性電極２３０６と整列している場合、ワイヤレス電力伝送システム２３００のＳＡＲは、１ｍｍから５０ｍｍの間の距離においてＩＣＮＩＲＰ ＲＦ曝露限界よりも十分に低い。同様に、受電容量性電極２３２６が送電共振器の容量性電極２３０６と重なって整列していない場合、ワイヤレス電力伝送システム２３００のＳＡＲは、１ｍｍから５０ｍｍの間の距離においてＩＣＮＩＲＰ ＲＦ曝露限界よりも依然として低い。ワイヤレス電力伝送システム２４００のＳＡＲは、距離が略９ｍｍ未満である場合にはＩＣＮＲＰ ＲＦ曝露限界未満ではない。ワイヤレス電力伝送システム２３００が低いＳＡＲを生じさせて、全般的により安全なワイヤレス電力伝送システムを提供していることは明らかである。
【0148】
第一検出器３０８と制御器３１０の特定の動作について説明してきたが、種々の変更が可能であることを当業者は理解するものである。一実施形態では、制御器３１０は、第一検出器３０８から容量性電極３０６に示されるインピーダンスを要求する。制御器３１０からの要求に応答して、第一検出器３０８は、容量性電極３０６に対して示されるインピーダンスを制御器３１０に送信する。本願で説明されている第一検出器と制御器の他の実施形態も同様に機能し得る。本願で説明されている第二検出器の実施形態も同様に機能し得る。
【0149】
第一検出器３０８と制御器３１０の特定の動作について説明してきたが、種々の変更が可能であることを当業者は理解するものである。一実施形態では、制御器３１０は、第一検出器３０８から特定の容量性電極３０６に示されるインピーダンスを要求する。制御器３１０からの要求に応答して、第一検出器３０８は、特定の容量性電極３０６に示されているインピーダンスを制御器３１０に送信する。制御器３１０は或る期間にわたって複数のインピーダンス要求を行い得る。制御器３１０は、一つよりも多くの容量性電極３０６に示されるインピーダンスを要求し得る。本願で説明されている第一検出器と制御器の他の実施形態も同様に機能し得る。本願で説明されている第二検出器の実施形態も同様に機能し得る。
【0150】
特定の第一検出器３０８と４０８について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、単一の回路が電流を印加して電圧を測定するように構成される。他の実施形態では、第一検出器３０８と４０８は複数の回路を備える。他の実施形態では、第一検出器３０８、４０８は、電極３０６、４０６同士の間のインピーダンス差を検出するように構成される。他の実施形態では、第一検出器３０８、４０８は、各電極３０６、４０６において示されるインピーダンスと、電極３０６、４０６同士の間のインピーダンス差の両方を決定するように構成される。
【0151】
特定の第二検出器４１２について説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、単一の回路が電流を印加して電圧を測定するように構成される。他の実施形態では、第二検出器４１２は複数の回路を備える。
【0152】
特定の電極について説明してきたが、当業者は他の構成も可能であることを理解するものであり、同心状、コプレーナ状、円形、楕円形、ディスク状等の電極が挙げられるが、これらに限定されない。他の適切な電極構成は、２０１５年９月４日出願のネイバーグ等の米国特許第９９７９２０６号明細書（特許文献２）（関連箇所は参照として本願に組み込まれる）に記載されている。
【0153】
受電器５１０は整流器５１４を備えるものとして説明してきたが、他の構成も可能であることを当業者は理解するものである。他の実施形態では、受電器５１０は整流器を備えない。本実施形態では、負荷５１２は受電共振器５２０に電気的に接続される。
【0154】
複数の実施形態を上述して添付図面に示してきたが、添付の特許請求の範囲によって定められる範囲から逸脱せずに種々の変更や修正が可能であり、特許請求の範囲は明細書全体と矛盾しない最も広い解釈において与えられるものであることを当業者は理解するものである。
【符号の説明】
【0155】
３００ 送電共振器
３０２ 送電インダクタ
３０４ 切り替えネットワーク
３０６ 送電容量性電極
３０８ 第一検出器
３１０ 制御器
３２０ パッシブ電極
３０２ 送電インダクタ
３０４ 切り替えネットワーク
３０６ 送電容量性電極
３０８ 第一検出器
３１０ 制御器
３２０ パッシブ電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【国際調査報告】