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JP5664881B2 - 無線電力送信システムおよびシステムのための共振器 - Google Patents

無線電力送信システムおよびシステムのための共振器 Download PDF

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Description

本発明は、無線電力送信システムに関し、特に無線電力送信システムのための共振器を設計する技術に関する。
無線電力送信技術の１つは、ＲＦ素子の共鳴（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を用いる。コイル構造を使用する共鳴器は、周波数に応じて物理的なサイズの変化が求められる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、共振周波数が高い場合および共振周波数が低い場合の全てに対して、合理的かつ物理的なサイズを有しながらも円滑に動作できる共振器及びそれを用いた無線電力送信システムを提供することにある。
本発明の一態様による無線電力共振器は、第１信号導体部分および第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタとを含む。
前記送信線路、前記第１導体および前記第２導体はループ構造を形成していることが好ましい。
前記送信線路、前記第１導体および前記第２導体は四角形態のループ構造を形成していることが好ましい。
前記無線電力共振器は、前記送信線路、前記第１導体および前記第２導体によって形成されるループの内部に位置し、前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器をさらに含むことが好ましい。
前記整合器は四角形態であることが好ましい。
前記整合器は、コントローラによって提供される制御信号に応じて前記無線電力共振器のインピーダンスを調整できるように前記整合器の物理的な形態を変更することが好ましい。
前記コントローラは、前記無線電力共振器から電力を受信し、前記無線電力共振器に電力を送信する相手共振器の状態に基づいて前記制御信号を生成することが好ましい。
前記コントローラは、無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から前記無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、または前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうち少なくとも１つによって前記制御信号を生成することが好ましい。
前記整合器は、前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み、前記共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整することが好ましい。
前記整合器は、コントローラによって提供される制御信号に応じて前記共振器のインピーダンスを調整する少なくとも１つの能動素子を含むことが好ましい。
前記少なくとも１つのキャパシタは、集中定数素子として前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入されることが好ましい。
前記少なくとも１つのキャパシタは分散素子としてジグザグ構造を有することが好ましい。
前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスは、前記無線電力共振器がメタ物質の特性を有するか否かの判断基準、前記無線電力共振器が対象周波数で負の透磁率を有するか否かの判断基準、または前記無線電力共振器が対象周波数でゼロ番目共振特性を有するか否かの判断基準のうち少なくとも１つの判断基準下で決めることが好ましい。
前記第１信号導体部分の表面または前記第２信号導体部分の表面は、複数の導体ラインを並列に含み、前記複数の導体ラインそれぞれの一端は接地されていることが好ましい。
前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分、および前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分は、別途の継ぎ目なしで互いに連結していることが好ましい。
前記第１信号導体部分、前記第２信号導体部分、または前記グラウンド導体部分のうち少なくとも１つの内部は空いていることが好ましい。
前記無線電力共振器は、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分の間の空間を貫通するマグネチックコアをさらに含むことが好ましい。
前記無線電力共振器が、少なくとも１つの送信線路が少なくとも２つの送信線路を含む場合、前記少なくとも２つの送信線路は、直列、並列、または螺旋状に接続され、前記少なくとも２つの送信線路それぞれに含まれる第１信号導体部分と第２信号導体部分との間には、少なくとも１つのキャパシタが挿入されていることが好ましい。
本発明の一態様による無線電力送信装置は、電源供給機から供給されたエネルギーを用いて無線電力送信のための電流および周波数を生成する前処理部と、前記周波数で前記電流を用いて無線に電力を送信する無線電力共振器と、を含む。ここで、前記無線電力共振器は、第１信号導体部分および第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタとを含む。
前記前処理部は、前記電源供給機から供給された交流エネルギーを直流エネルギーに変換する交流−直流コンバータと、前記直流エネルギーによって前記周波数を有する前記電流を生成する周波数生成器とを含むことが好ましい。
前記無線電力送信装置は、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、または前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうち少なくとも１つによって制御信号を生成するコントローラをさらに含むことが好ましい。
前記無線電力送信装置は、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から前記無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、または前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうち少なくとも１つを検出する検出器をさらに含むことが好ましい。
前記コントローラは、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から前記無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、または前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうち少なくとも１つによって前記周波数を調整することが好ましい。
本発明の一態様による無線電力受信装置は、無線で電力を受信する無線電力共振器と、前記受信された電力を直流エネルギーに変換する整流器とを含む。ここで、前記無線電力共振器は、第１信号導体部分および第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタとを含む。
前記無線電力受信装置は、前記無線電力共振器と無線電力送信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力送信装置の無線電力共振器から前記無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と無線電力送信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、または前記無線電力共振器と前記無線電力送信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうち少なくとも１つによって制御信号を生成するコントローラをさらに含むことが好ましい。
本発明の一態様による無線電力送信方法は、電源供給機から供給されたエネルギーを用いて無線電力送信のための電流および周波数を生成するステップと、無線電力共振器に前記電流および周波数を提供するステップとを含む。ここで、前記無線電力共振器は、第１信号導体部分および第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタとを用いて前記周波数で前記電流を用いて無線に電力を送信する。
本発明の一態様による無線電力受信方法は、無線電力共振器を用いて無線に電力を受信するステップと、整流器を用いて前記受信された電力を直流エネルギーに変換するステップと、前記直流エネルギーをターゲットデバイスに提供するステップとを含む。ここで、無線電力共振器は、第１信号導体部分および第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタとを含む。
無線電力受信方法は、前記直流エネルギーを電力格納装置に格納するステップをさらに含むことが好ましい。
無線電力受信方法は、前記直流エネルギーを前記ターゲットデバイスの電力として用いるステップをさらに含むことが好ましい。
本発明の一態様による無線電力受信システムは、無線電力送信装置および無線電力受信装置を含む。前記無線電力送信装置は、電源供給機から供給されたエネルギーを用いて無線電力送信のための電流および周波数を生成する前処理部と、前記周波数で前記電流を用いて前記無線電力受信装置に無線で電力を送信する無線電力送信共振器とを含み、前記無線電力受信装置は、前記無線電力送信装置から無線に電力を受信する無線電力受信共振器と、前記受信された電力を直流エネルギーに変換する整流器とを含む。ここで、前記無線電力送信共振器または前記無線電力受信共振器のうち少なくとも１つは、第１信号導体部分および第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、前記第１信号導体部分および前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタとを含む。
前記無線電力送信共振器または前記無線電力受信共振器のうち少なくとも１つは、前記送信線路、前記第１導体および前記第２導体によって形成されるループの内部に位置し、前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器をさらに含むことが好ましい。
無線電力送信のための共振器を含む無線電力送信システムを説明するための図である。 本発明の一実施形態による２次元構造の共振器を示す図である。 本発明の一実施形態による３次元構造の共振器を示す図である。 バルキータイプ（ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅ）に設計された無線電力送信のための共振器の例示図である。 ホロータイプ（Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅ）に設計された無線電力送信のための共振器の例示図である。 パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）が適用された無線電力送信のための共振器の例示図である。 分散されたキャパシタを含む無線電力送信のための共振器の例示図である。 ２次元構造の共振器および３次元構造の共振器で使用される整合器の例示図である。 図２に示すキャパシタが挿入された送信線路の等価回路を示す図である。 ゼロ番目共振特性を有する混合右−左手送信線路の等価回路を示す図である。 混合右−左手送信線路で発生するゼロ番目共振を概念的に説明するグラフである。 本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器が有する特性を示すテーブルである。 本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器の例示図である。 本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器の例示図である。 本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器の例示図である。 図１に示すソースに適用できる無線電力送信装置を説明するためのブロック図である。 図１に示すデスティネーションに適用できる無線電力受信装置を説明するためのブロック図である。
以下、本発明に係る好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、無線電力送信のための共振器および無線電力受信のための共振器を含む無線電力送信システムを説明するための図である。
図１に示す共鳴特性を用いる無線電力送信システムは、ソース１１０およびデスティネーション１２０を含む。ここで、ソース１１０は、ヘリックス（ｈｅｌｉｘ）コイル構造の共振器またはスパイラルコイル構造の共振器を用いてデスティネーション１２０に無線で電力を供給する。
ヘリックスコイル構造の共振器またはスパイラルコイル構造の共振器などの物理的なサイズは、所望する共振周波数に依存する。例えば、所望する共振周波数が１０Ｍｈｚである場合、ヘリックスコイル構造の共振器の直径は約０．６ｍであり、スパイラルコイル構造の共振器の直径も約０．６ｍのように定められる。ここで、所望する共振周波数が減少することによって、ヘリックスコイル構造の共振器およびスパイラルコイル構造の共振器の直径は増加することになる。
共振周波数が変化するにつれて共振器の物理的なサイズが変化することは好ましくない。極端的な例として、共振周波数が極めて低い場合には、共振器のサイズは極めて大きくなり実用的でない。共振周波数と共振器のサイズは互いに独立的であることが理想的である。また、共振周波数が高い場合および共振周波数が低い場合の全てに対して、合理的かつ物理的なサイズを有しながらも円滑に動作できる共振器が、理想的な共振器であるといえる。
既に知られた内容であるが、理解の便宜のために関連用語を記述する。すべての物質は固有の透磁率（Ｍｕ）および誘電率（ｅｐｓｉｌｏｎ）を有する。透磁率は、該当物質から与えられた磁界（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）に対して発生する磁束密度（ｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）と真空中でその磁界に対して発生する磁束密度の比を意味する。そして、誘電率は、該当物質から与えられた電界に対して発生する電束密度（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）と真空中でその電界に対して発生する電束密度の比を意味する。透磁率および誘電率は与えられた周波数または波長で該当物質の伝搬定数を決定し、透磁率および誘電率に応じてその物質の電磁気特性が決定される。特に、自然界で存在しない誘電率または透磁率を有し、人工的に設計された物質をメタ物質といい、メタ物質は極めて大きい波長または極めて低い周波数領域でも簡単に（すなわち、物質のサイズが多く変化しなくても）共振状態に置かれ得る。
図２は、本発明の一実施形態に係る２次元構造の共振器を示す図である。
図２を参照すれば、本発明の一実施形態に係る２次元構造の共振器は、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、およびグラウンド導体部分２１３を含む送信線路、キャパシタ２２０、整合器２３０、および導体２４１、２４２を含む。
図２に示すように、キャパシタ２２０は、送信線路で第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に直列に挿入され、それによって電界はキャパシタ２２０に閉じ込められるようになる。一般的に、送信線路は上部に少なくとも１つの導体、下部に少なくとも１つの導体を含み、上部にある導体を通しては電流が流れ、下部にある導体は電気的にグラウンドされる。本明細書では、送信線路の上部にある導体を第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２に分類して呼び、送信線路の下部にある導体をグラウンド導体部分２１３のように呼ぶことにする。
図２に示すように、本発明の一実施形態による共振器２００は、２次元構造の形態を有する。送信線路は、上部に第１信号導体部分２１１および第２信号導体部分２１２を含み、下部にグラウンド導体部分２１３を含む。第１信号導体部分２１１および第２信号導体部分２１２とグラウンド導体部分２１３は互いに向かい合うように配置される。電流は第１信号導体部分２１１および第２信号導体部分２１２を通じて流れる。
また、図２に示すように、第１信号導体部分２１１の一端は導体２４２と接地され、他端はキャパシタ２２０と接続される。そして、第２信号導体部分２１２の一端は導体２４１と接地され、他端はキャパシタ２２０と接続される。すなわち、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、およびグラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２は互いに接続されることによって、共振器２００は電気的に閉鎖されているループ構造を有する。ここで、「ループ構造」は円形構造、四角形のような多角形の構造などを全て含み、「ループ構造」を有することは電気的に閉鎖されていることを意味する。
キャパシタ２２０は、送信線路の中部に挿入される。より具体的には、キャパシタ２２０は第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に挿入される。ここで、キャパシタ２２０は、集中定数素子（ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）および分散素子（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）などの形態を有してもよい。特に、分散素子の形態を有する分散したキャパシタは、ジグザグ形態の導体ラインとその導体ラインとの間に存在する高い誘電率を有する誘電体を含む。
キャパシタ２２０が送信線路２１０に挿入されることによって前記共振器２００はメタ物質の特性を有し得る。ここで、メタ物質とは、自然で発見されることのできない特別の電気的な性質を有する物質であり、人工的に設計された構造を有する。自然界に存在する全ての物質の電磁気特性は固有の誘電率または透磁率を有し、大部分の物質は正の誘電率および正の透磁率を有する。大部分の物質において電界、磁界、およびポインティング・ベクトルには右手の法則が適用されるため、このような物質をＲＨＭ（Ｒｉｇｈｔ Ｈａｎｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ）という。しかし、メタ物質は自然界で存在しない誘電率または透磁率を有する物質であり、誘電率または透磁率の符号によりＥＮＧ（ｅｐｓｉｌｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＭＮＧ（ｍｕ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＤＮＧ（ｄｏｕｂｌｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ）物質、ＮＲＩ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）物質、ＬＨ（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ）物質などに分類される。
ここで、集中定数素子として挿入されたキャパシタ２２０のキャパシタンスが適切に決められる場合、共振器２００はメタ物質の特性を有する。特に、キャパシタ２２０のキャパシタンスを適切に調整することによって、共振器は負の透磁率を有することができるため、本発明の一実施形態による共振器は、ＭＮＧ共振器に呼ばれる。以下で説明するが、キャパシタ２２０のキャパシタンスを定める判断基準（ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）は多様であり得る。共振器２００がメタ物質の特性を有するか否かの判断基準、共振器２００が対象周波数で負の透磁率を有する判断基準、または共振器２００が対象周波数でゼロ番目共振（Ｚｅｒｏｔｈ−Ｏｒｄｅｒ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を有するか否かの判断基準などがあり、上述した判断基準のうち少なくとも１つの判断基準の下でキャパシタ２２０のキャパシタンスを決定してもよい。
ＭＮＧ共振器２００は、伝搬定数が０であるときの周波数を共振周波数として有するゼロ番目共振特性を有してもよい。ＭＮＧ共振器２００はゼロ番目共振特性を有するため、共振周波数はＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズに対して独立的であり得る。すなわち、下記で再び説明するが、ＭＮＧ共振器２００で共振周波数を変更するためにはキャパシタ２２０を適切に設計することで充分であるため、ＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
また、近接フィールドにおいて、電界は送信線路２１０に挿入されたキャパシタ２２０に集中するため、キャパシタ２２０によって近接フィールドでは磁界がドミナント（ｄｏｍｉｎａｎｔ）される。そして、ＭＮＧ共振器は集中素子のキャパシタ２２０を用いて高いＱ−ファクター（Ｑ−Ｆａｃｔｏｒ）を有するため、電力送信の効率を向上させることができる。参考に、Ｑ−ファクターは、無線電力送信において、抵抗損失の程度または抵抗に対するリアクタンスの比を表すが、Ｑ−ファクターが大きいほど無線電力送信の効率は大きいものと理解される。
また、ＭＮＧ共振器２００はインピーダンスマッチングのための整合器２３０を含んでもよい。ここで、整合器２３０は、ＭＮＧ共振器２００との結合のために磁界の強度を適切に調整することができ、整合器２３０によってＭＮＧ共振器２００のインピーダンスは決定される。そして、電流は、コネクタ２４０を介してＭＮＧ共振器２００に流入されるか、ＭＮＧ共振器２００から流出される。ここで、コネクタ２４０は、グラウンド導体部分２１３または整合器２３０に接続されてもよい。ただし、コネクタ２４０とグラウンド導体部分２１３または整合器２３０の間には物理的な接続が形成されてもよく、コネクタ２４０とグラウンド導体部分２１３または整合器２３０の間の物理的な接続なしにカップリングによって電力が送信されてもよい。
より具体的には、図２に示すように、整合器２３０は共振器２００のループ構造によって形成されるループ内に位置してもよい。整合器２３０は物理的な形態を変更することによって共振器２００のインピーダンスを調整する。特に、整合器２３０は、グラウンド導体部分２１３から距離ｈだけ離れた位置にインピーダンスマッチングのための導体２３１を含んでもよく、共振器２００のインピーダンスは距離ｈを調整することによって変更され得る。
図２には図示していないが、整合器２３０を制御することのできるコントローラが存在する場合、整合器２３０はコントローラによって生成される制御信号に応じて整合器２３０の物理的な形態を変更してもよい。例えば、制御信号に応じて整合器２３０の導体２３１とグラウンド導体部分との間の距離ｈを増加もしくは減少し、これによって整合器２３０の物理的な形態を変更することで共振器２００のインピーダンスを調整してもよい。コントローラは多様なファクターを考慮して制御信号を生成し、これについては下記で説明する。
整合器２３０は、図２に示すように、導体２３１のような受動素子で実現してもよく、実施形態によってダイオード、トランジスタなどのような能動素子で実現してもよい。能動素子が整合器２３０に含まれる場合、能動素子はコントローラによって生成される制御信号に応じて駆動してもよく、その制御信号に応じて共振器２００のインピーダンスを調整してもよい。例えば、整合器２３０には能動素子の一種であるダイオードが含まれてもよく、ダイオードが「ｏｎ」の状態であるか、「ｏｆｆ」の状態であるかに応じて共振器２００のインピーダンスが調整される。
また、図２には図示していないが、ＭＮＧ共振器２００を貫通するマグネチックコアをさらに含んでもよい。このようなマグネチックコアは電力送信距離を増加させる機能を行う。
図３は、本発明の一実施形態による３次元構造の共振器を示す図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施形態による３次元構造の共振器２００は、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、およびグラウンド導体部分２１３を含む送信線路およびキャパシタ２２０を含む。ここで、キャパシタ２２０は、送信線路で第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に直列に挿入され、電界は閉じ込められる。
また、図３に示すように、共振器２００は３次元構造の形態を有する。送信線路は、上部に第１信号導体部分２１１および第２信号導体部分２１２を含み、下部にグラウンド導体部分２１３を含む。第１信号導体部分２１１および第２信号導体部分２１２とグラウンド導体部分２１３は互いに向かい合うように配置される。電流は第１信号導体部分２１１および第２信号導体部分２１２を通じてｘ方向に流れ、このような電流によって−ｙ方向に磁界Ｈ（ｗ）が発生する。
また、図３に示すように、第１信号導体部分２１１の一端は導体２４２と接地され、他端はキャパシタ２２０と接続される。そして、第２信号導体部分２１２の一端は導体２４１と接地され、他端はキャパシタ２２０と接続される。すなわち、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、およびグラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２は互いに接続されることによって、共振器２００は電気的に閉鎖されているループ構造を有する。ここで、「ループ構造」は円形構造、四角形のような多角形構造などを全て含み、「ループ構造」を有することは電気的に閉鎖されていることを意味する。
また、図３に示しように、キャパシタ２２０は、第１信号導体部分２１１と第２信号導体部分２１２との間に挿入される。ここで、キャパシタ２２０は、集中定数素子（ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）および分散素子（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）などの形態を有してもよい。特に、分散素子の形態を有する分散したキャパシタは、ジグザグ形態の導体ラインとその導体ラインとの間に存在する高い誘電率を有する誘電体を含む。
図３に示すように、キャパシタ２２０が送信線路に挿入されることによって共振器２００はメタ物質の特性を有し得る。集中定数素子として挿入されたキャパシタ２２０のキャパシタンスが適切に決められる場合、共振器２００はメタ物質の特性を有する。特に、キャパシタ２２０のキャパシタンスを適切に調整することによって、共振器２００は特定の周波数帯域において負の透磁率を有することができるため、本発明の一実施形態による共振器２００は、ＭＮＧ共振器と呼ばれる。以下で説明するが、キャパシタ２２０のキャパシタンスを定める判断基準（ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）は多様であり得る。共振器２００がメタ物質の特性を有するか否かの判断基準、前記共振器２００が対象周波数で負の透磁率を有するか否かの判断基準、または前記共振器２００が対象周波数でゼロ番目共振（Ｚｅｒｏｔｈ−Ｏｒｄｅｒ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）特性を有するか否かの判断基準などがあり、上述した判断基準のうち少なくとも１つの判断基準の下でキャパシタ２２０のキャパシタンスを決定してもよい。
図３に示す前記ＭＮＧ共振器２００は、伝搬定数が０であるときの周波数を共振周波数として有するゼロ番目共振特性を有してもよい。ＭＮＧ共振器２００はゼロ番目共振特性を有するため、共振周波数はＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズに対して独立的であり得る。ＭＮＧ共振器２００で共振周波数を変更するためにはキャパシタ２２０を適切に設計することで充分であるため、ＭＮＧ共振器２００の物理的なサイズを変更しなくてもよい。
図３に示すように、ＭＮＧ共振器２００を参照すると、近接フィールドにおいて、電界は送信線路２１０に挿入されたキャパシタ２２０に集中するため、キャパシタ２２０によって近接フィールドでは磁界がドミナントになる。特に、ゼロ番目共振特性を有するＭＮＧ共振器２００は、磁気双極子（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅ）に類似の特性を有するため、近接フィールドでは磁界がドミナントになり、キャパシタ２２０の挿入により発生する少ない量の電界またはそのキャパシタ２２０に集中されるため、近接フィールドでは磁界が最もドミナントになる。ＭＮＧ共振器２００は集中定数素子のキャパシタ２２０を用いて高いＱ−ファクターを有するため、電力送信の効率を向上させることができる。
また、図３に示すように、ＭＮＧ共振器２００はインピーダンスマッチングのための整合器２３０を含んでもよい。ここで、整合器２３０は、ＭＮＧ共振器２００の磁界の強度を適切に調整することができ、整合器２３０によってＭＮＧ共振器２００のインピーダンスは決定される。そして、電流は、コネクタ２４０を介してＭＮＧ共振器２００に流入されるか、ＭＮＧ共振器２００から流出される。ここで、コネクタ２４０は、グラウンド導体部分２１３または整合器２３０に接続されてもよい。
より具体的には、図３に示すように、整合器２３０は、共振器２００のループ構造によって形成されるループ内に位置してもよい。整合器２３０は、物理的な形態を変更することによって、共振器２００のインピーダンスを調整する。特に、整合器２３０は、グラウンド導体部分２１３から距離ｈだけ離れた位置にインピーダンスマッチングのための導体２３１を含んでもよく、共振器２００のインピーダンスは距離ｈを調整することによって変更され得る。
図３には図示していないが、整合器２３０を制御することのできるコントローラが存在する場合、整合器２３０はコントローラによって生成される制御信号に応じて整合器２３０の物理的な形態を変更してもよい。例えば、制御信号に応じて整合器２３０の導体２３１とグラウンド導体部分２３０との間の距離ｈを増加もしくは減少し、これによって整合器２３０の物理的な形態を変更することで共振器２００のインピーダンスを調整してもよい。整合器２３０の導体２３１とグラウンド導体部分２３０の間の距離ｈは多様な方式で調整されてもよい。すなわち、第１に、整合器２３０には様々な導体が含まれてもよく、その導体のうちいずれか１つを適応的に活性化することによって距離ｈを調整することができる。第２に、導体２３１の物理的な位置を上下に調整することによって、距離ｈを調整することができる。このような距離ｈはコントローラの制御信号に応じて制御してもよく、コントローラは多様なファクターを考慮して制御信号を生成してもよい。コントローラが制御信号を生成することについては下記で説明する。
整合器２３０は、図３に示すように、導体２３１のような受動素子で実現してもよく、実施形態によってダイオード、トランジスタなどのような能動素子で実現してもよい。能動素子が整合器２３０に含まれる場合、能動素子はコントローラによって生成される制御信号に応じて駆動してもよく、その制御信号に応じて共振器２００のインピーダンスを調整してもよい。例えば、整合器２３０には能動素子の一種であるダイオードが含まれてもよく、ダイオードが「ｏｎ」の状態であるか、「ｏｆｆ」の状態であるかに応じて共振器２００のインピーダンスが調整される。
また、図３には明示的に図示していないが、ＭＮＧ共振器２００を貫通するマグネチックコアをさらに含んでもよい。このようなマグネチックコアは電力送信距離を増加させる機能を行う。
図４は、バルキータイプ（ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅ）に設計された無線電力送信のための共振器の例示図である。
図４を参照すれば、第１信号導体部分２１１と導体２４２は個別に製造された後互いに接続されるものではなく、１つの塊として製造される。同様に、第２信号導体部分２１２と導体２４１も１つの塊りとして製造される。
第２信号導体部分２１２と導体２４１が個別的に製造された後互いに接続される場合、継ぎ目２５０による導体損失が発生し得る。ここで、本発明の実施形態によれば、第２信号導体部分２１２と導体２４１は別途の継ぎ目なしで（ｓｅａｍｌｅｓｓ）互いに接続され、導体２４１とグラウンド導体部分２１３も別途の継ぎ目なしで互いに接続されてもよく、継ぎ目による導体損失を減らすことができる。すなわち、第２信号導体部分２１２とグラウンド導体部分２１３は、別途の継ぎ目なしで１つの塊りとして製造してもよい。同様に、第１信号導体部分２１１とグラウンド導体部分２１３は、別途の継ぎ目なしで１つの塊りとして製造してもよい。
図４に示すように、別途の継ぎ目なしで１つの塊りとして２以上の部分（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）を互いに接続する類型を「バルキータイプ（ｂｕｌｋｙ ｔｙｐｅ）」と呼んだりする。
図５は、ホロータイプ（Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅ）に設計された無線電力送信のための共振器の例示図である。
図５を参照すれば、ホロータイプ（Ｈｏｌｌｏｗ ｔｙｐｅ）に設計された無線電力送信のための共振器の第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２のそれぞれは、内部が空いている空間を含む。
与えられた共振周波数において、有効電流は第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２それぞれの全ての部分を介して流れることなく、一部のみを介して流れるものとモデリングすることができる。すなわち、与えられた共振周波数において、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２の厚さがそれぞれの表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）よりも過度に厚いことは効率的ではない。すなわち、それは共振器の重さまたは共振器の製造費用を増加させる原因になり得る。
したがって、本発明の実施形態によれば、与えられた共振周波数において、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２それぞれの表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）に基づいて第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２それぞれの厚さを適切に決定する。第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２それぞれが該当の表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）よりも大きいながらも適切な厚さを有する場合、共振器２００は軽くなり、共振器２００の製造費用も減少され得る。
例えば、図５に示すように、第２信号導体部分２１２の厚さはｄｍのように決定してもよく、ｄは
Figure 0005664881
 のように決定してもよい。ここで、ｆは周波数、μは透磁率、σは導体定数を表す。特に、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２、グラウンド導体部分２１３、導体２４１、２４２が銅（ｃｏｐｐｅｒ）として５．８×１０＾７の導電率を有する場合、共振周波数が１０ｋＨｚについては表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）が約０．６ｍｍであってもよく、共振周波数が１００ＭＨｚについては表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）は０．００６ｍｍであってもよい。
図６は、パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）が適用された無線電力送信のための共振器の例示図である。
図６を参照すれば、パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）が適用された無線電力送信のための共振器に含まれた第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２それぞれの表面には、パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）を適用してもよい。
第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２は完璧な導体ではないことから抵抗成分を有することがあり、その抵抗成分によって抵抗損失が発生することがある。このような抵抗損失はＱ−ファクターを減少させ、カップリングの効率を減少させる。
本発明の実施形態によれば、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２それぞれの表面にパラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）を適用することによって抵抗損失を減らし、Ｑ−ファクターおよびカップリングの効率を増加させることができる。図６に示した部分２７０を参照すれば、パラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）が適用される場合、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２それぞれは、複数の導体ラインを含む。この導体ラインは並列に配置され、第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２それぞれの終端で接地される。
第１信号導体部分２１１、第２信号導体部分２１２それぞれの表面にパラレルシート（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｈｅｅｔ）を適用する場合、導体ラインが並列に配置されるため、導体ラインが有する抵抗成分の和は減少する。したがって、抵抗損失を減らすと共にＱ−ファクターおよびカップリングの効率を増加させることができる。
図７は、分散されたキャパシタを含む無線電力送信のための共振器の例示図である。
図７を参照すれば、無線電力送信のための共振器に含まれるキャパシタ２２０は、分散されたキャパシタであってもよい。集中定数素子としてのキャパシタは、相対的に高い等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＥＳＲ）を有し得る。集中定数素子としてのキャパシタが有するＥＳＲを減らすために様々な提案があるものの、本発明の実施形態においては、分散素子としてのキャパシタ２２０を用いることによってＥＳＲを減らすことができる。参考に、ＥＳＲによる損失は、Ｑ−ファクターおよびカップリングの効率を減少させることがある。
分散素子としてのキャパシタ２２０は、図７に示すように、ジグザグの構造を有してもよい。すなわち、分散素子としてのキャパシタ２２０は、ジグザグ構造の導体ラインおよび誘電体に実現されてもよい。
図７に示すように、本発明の実施形態においては、分散素子としてのキャパシタ２２０を用いることによるＥＳＲによる損失の減少だけではなく、複数の集中定数素子としてのキャパシタを並列的に用いることによって、ＥＳＲによる損失を減らすこともできる。なぜなら、集中定数素子としてのキャパシタそれぞれが有する抵抗成分は、並列接続を介して小さくなるため、並列的に接続された集中定数素子としてのキャパシタの有効抵抗も小さくなり、したがって、ＥＳＲによる損失を減らすことができる。例えば、１０ｐＦのキャパシタ１つを用いることを１ｐＦのキャパシタ１０個を用いるものと代替することによって、ＥＳＲによる損失を減らすことができる。
図８は、２次元構造の共振器および３次元構造の共振器において使用される整合器の例示図である。
図８の（Ａ）は整合器を含む図２に示した２次元共振器の一部を示し、図８の（Ｂ）は整合器を含む図３に示した３次元共振器の一部を示す。
図８の（Ａ）を参照すれば、整合器は導体２３１，導体２３２、および導体２３３を含み、導体２３２および導体２３３は、送信線路のグラウンド導体部分２１３および導体２３１に接続される。導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈに応じて２次元共振器のインピーダンスは決定され、導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈは、コントローラによって制御される。導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈは、多様な方式で調整されてもよく、導体２３１になり得る様々な導体のいずれか１つを適応的に活性化することによって距離ｈを調整する方式、導体２３１の物理的な位置を上下に調整することによって距離ｈを調整する方式などがある。
図８の（Ｂ）を参照すれば、整合器は、導体２３１、導体２３２、および導体２３３を含み、導体２３２および導体２３３は、送信線路のグラウンド導体部分２１３および導体２３１に接続される。導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈに応じて３次元共振器のインピーダンスは決定され、導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈはコントローラによって制御される。２次元構造の共振器に含まれる整合器と同様に、３次元構造の共振器に含まれる整合器においても、導体２３１とグラウンド導体部分２１３との間の距離ｈは多様な方式で調整されてもよい。例えば、導体２３１になり得る様々な導体のいずれか１つを適応的に活性化することによって距離ｈを調整する方式、導体２３１の物理的な位置を上下に調整することによって距離ｈを調整する方式などがあり得る。
図８に示していないが、整合器は能動素子を含んでもよく、能動素子を用いて共振器のインピーダンスを調整する方式は、上述した内容と類似する。すなわち、能動素子を用いて整合器を通じて流れる電流の経路を変更することで共振器のインピーダンスを調整することができる。
図９は、図２に示すキャパシタが挿入された送信線路の等価回路を示す図である。
図２に示すキャパシタが挿入された送信線路は、図９に示す等価回路にモデリングされてもよい。図９に示す等価回路において、ＣＬは図２に示す送信線路の中部に集中定数素子の形態に挿入されたキャパシタを表す。
ここで、図２に示すキャパシタが挿入された送信線路は、ゼロ番目共振特性を有する。すなわち、伝搬定数が０である場合、無線電力送信のための共振器はωＭＺＲを共振周波数として有すると仮定する。ここで、共振周波数ωＭＺＲは下記の数式１のように表す。ここで、ＭＺＲはＭｕ Ｚｅｒｏ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒを意味する。
Figure 0005664881
前記数式１を参照すれば、共振器の共振周波数ωＭＺＲは、ＬＲ／ＣＬによって決定されてもよく、共振周波数ωＭＺＲと共振器の物理的なサイズは、互いに独立していることが分かる。したがって、共振周波数ωＭＺＲと共振器の物理的なサイズが互いに独立しているため、共振器の物理的なサイズは、十分に小さくなり得る。
図１０は、ゼロ番目共振特性を有する混合右−左手送信線路（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｒｉｇｈｔ−Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｍｅ）の等価回路を示す図である。本発明の実施形態による無線電力送信のための共振器は、ＭＮＧ送信線路を基盤とするが、混合右−左手送信線路を介してＭＮＧ送信線路を説明することにする。
図１０を参照すれば、混合右−左手送信線路の等価回路は、基本的な送信線路に比べてシリーズキャパシタ（ｓｅｒｉｅｓ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）であるＣ’Ｌ／Δｚ４１２およびシャントインジケータ（ｓｈｕｎｔ−ｉｎｄｕｃｔｏｒ）であるＬ’Ｌ／Δｚ４２２を追加的に含む。ここで、Ｌ’Ｒ／Δｚ４１１およびＣ’Ｒ／Δｚ４２１は基本的な送信線路が有するインダクター成分およびキャパシタ成分を表す。
ここで、インピーダンスＺ’４１０は、Ｌ’Ｒ／Δｚ４１１に対応する成分およびＣ’Ｌ／Δｚ４１２に対応する成分の和であり、アドミッタンスＹ’４２０はＣ’Ｒ／Δｚ４２１に対応する成分およびＬ’Ｌ／Δｚ４２２に対応する成分の和である。
したがって、インピーダンスＺ’４１０およびアドミッタンスＹ’４２０は下記の数式２のように表してもよい。
Figure 0005664881
前記数式２を参照すれば、共振周波数（共振周波数でインピーダンスＺ’４１０またはアドミッタンスＹ’４２０の大きさ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が最小となる）は、基本的な送信線路にＣ’Ｌ／Δｚ４１２およびＬ’Ｌ／Δｚ４２２を適切に追加することによって調整され、混合右−左手送信線路は、ゼロ番目共振特性を有していることが分かる。すなわち、混合右−左手送信線路の共振周波数は、伝搬定数が０であるときの周波数であり得る。
基本的な送信線路にＣ’Ｌ／Δｚ４１２のみが追加された場合に、このような送信線路は負の透磁率を有するため、ＭＮＧ送信線路と呼ばれる。また、Ｌ’Ｌ／Δｚ４２２のみが追加された場合、そのような送信線路は負の誘電率を有するためＥＮＧ送信線路と呼ばれ、ＭＮＧ送信線路およびＥＮＧ送信線路もゼロ番目共振特性を有する。
本発明の実施形態によるＭＮＧ共振器は、近接フィールドで磁界がドミナントできるようにＣ’Ｌ／Δｚ４１２を含む。すなわち、近接フィールドで電界は、Ｃ’Ｌ／Δｚ４１２に集中されるため、近接フィールドで磁界がドミナントされる。
また、ＭＮＧ共振器は、混合右−左手送信線路と同様にゼロ番目共振特性を有するため、共振周波数に関係がなくＭＮＧ共振器は小さく製造することができる。
図１１は、混合右−左手送信線路で発生するゼロ番目共振を概念的に説明するグラフである。
図１１を参照すれば、混合右−左手送信線路はＡ、Ｂを共振周波数として有する。ここで、Ａ、Ｂに対応する伝搬定数（β）は０であるため、混合右−左手送信線路はゼロ番目共振特性を有する。
混合右−左手送信線路に類似するようにＭＮＧ送信線路およびＥＮＧ送信線路もゼロ番目共振特性を有する。例えば、ＭＮＧ送信線路の共振周波数がＡであり、ＥＮＧ送信線路の共振周波数がＢであってもよい。したがって、本発明の実施形態に係るＭＮＧ共振器は十分に小さいサイズで製造されることができる。
図１２は、本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器が有する特性を示すテーブルである。
図１２を参照すれば、本発明の実施形態によるＭＮＧ共振器の近接フィールドで、磁界が電界に比べてドミナントする。また、ＭＮＧ共振器は、磁界カップリングを介して電力送信の効率を向上させることができる。
そして、本発明の実施形態によるＭＮＧ共振器は、２次元または３次元構造で製造してもよく、高いＱ−ファクターを指向することができる。そして、本発明の実施形態によるＭＮＧ共振器は、近距離無線電力送信のために用いられる。
図１３〜図１５は、本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器の例示図である。
図１３を参照すれば、本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器は、互いに直列に接続された複数の送信線路７１０、７２０、７３０を含む。ここで、複数のキャパシタ７１１、７２１、７３１それぞれは、共振器の送信線路にそれぞれに挿入される。図１３に示した共振器によれば、カップリング効率が増加し、複数の送信線路７１０，７２０，７３０によって複数の共振周波数を獲得することもできる。特に、２つ以上の周波数帯域において同時に無線電力を送／受信することを希望する場合、図１３に示す共振器を用いることができる。
図１４を参照すれば、本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器は、スパイラル構造を有してもよい。すなわち、複数の送信線路はスパイラル構造に接続され、複数の送信線路のそれぞれには、複数のキャパシタがそれぞれ挿入されてもよい。図１４に示す共振器によると、制限された空間または面積内で、大きいサイズを有する磁界を形成することができる。また、このことのみならず、共振の有効インダクタンスを増加させることによって、高いＱ−ファクターを達成することもできる。
図１５を参照すれば、本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器は、並列に接続された複数の送信線路９１０、９２０、９３０を含んでもよい。図１５に示す共振器によると、特定の共振周波数で大きい強さを有する磁界を形成することができる。
図１３〜図１５に示す形態の他にも本発明の一実施形態による無線電力送信のための共振器は、多様な形態に製造してもよい。
図１６は、図１に示すソースに適用できる無線電力送信装置を説明するためのブロック図である。
図１６を参照すれば、無線電力送信装置１０００は、無線電力送信共振器１０１０および前処理部１０２０を含む。
無線電力送信共振器１０１０は、図１〜図１５を参照して説明した共振器であってもよく、無線電力送信共振器１０１０によって伝搬される波動によって、電力が無線に送信される。
前処理部１０２０は、無線電力送信装置１０００の外部または内部の電源供給機から供給されたエネルギーを用いて、無線電力送信のための電流および周波数を生成する。
より具体的に、前処理部１０２０は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２１、周波数生成器１０２２、パワー増幅器１０２３、コントローラ１０２４、検出器１０２５を含む。
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２１は、電源供給機から供給された交流（ＡＣ）エネルギーを直流（ＤＣ）エネルギーまたは直流電流に変換する。ここで、周波数生成器１０２２は、その直流エネルギーまたは直流電流により所望する周波数を生成し、所望する周波数を生成する。所望する周波数を有する電流は増幅器１０２３によって増幅されてもよい。
コントローラ１０２４は、無線電力送信共振器１０１０のインピーダンスを調整するための制御信号を生成し、周波数生成器１０２２によって生成される周波数を調整する。例えば、複数の周波数帯域のうち、電力送信利得、カップリング効率などが極大化される最適の周波数を選択してもよい。
また、検出器１０２５は、無線電力送信共振器１０１０と無線電力受信装置の無線電力受信共振器との間の距離、無線電力送信共振器１０１０から無線電力受信共振器に送信される波動の反射係数、無線電力送信共振器１０１０と無線電力受信共振器との間の電力送信利得、または無線電力送信共振器１０１０と無線電力受信共振器との間のカップリングの効率などを検出する。
ここで、コントローラ１０２４は、距離、反射係数、電力送信利得、カップリングの効率などを考慮して無線電力送信共振器１０１０のインピーダンスを調整し、周波数生成器１０２２によって生成される周波数を調整できる制御信号を生成する。
図１７は、図１に示すデスティネーションに適用できる無線電力受信装置を説明するためのブロック図である。
図１７を参照すれば、無線電力受信装置１１００は、無線電力受信共振器１１１０、整流器１１２０、検出器１１３０、およびコントローラ１１４０を含む。
無線電力受信共振器１１１０は、図１〜図１５を参照して説明した共振器であってもよく、無線電力送信装置によって伝播される波動を受信する。
整流器１１２０は、受信された波動による電力を直流エネルギーに変換し、その直流エネルギーの全てまたは一部は、ターゲットデバイスに提供される。ターゲットデバイスは、バッテリーのような電力格納装置であってもよく、電力を用いる装置であってもよい。
また、検出器１１３０は、無線電力送信共振器と無線電力受信装置１１００の無線電力受信共振器１１１０との間の距離、無線電力送信共振器から無線電力受信共振器１１００に送信される波動の反射係数、無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間の電力送信利得、または無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間のカップリングの効率などを検出する。
また、コントローラ１１４０は、無線電力送信共振器と無線電力受信装置１１００の無線電力受信共振器１１１０との間の距離、無線電力送信共振器から無線電力受信共振器１１００に送信される波動の反射係数、無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間の電力送信利得、または無線電力送信共振器と無線電力受信共振器１１００との間のカップリングの効率などに基づいて無線電力受信共振器のインピーダンスを調整するための制御信号を生成する。
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様に変更実施することが可能である。
したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。

Claims (38)

  1. 無線電力共振器において、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を含み、
    前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整されることを特徴とする無線電力共振器。
  2. 前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体は、ループ構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  3. 前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体は、四角形態のループ構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  4. 前記整合器は、前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置することを特徴とする請求項３に記載の無線電力共振器。
  5. 前記整合器は、四角形態であることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  6. 前記整合器は、コントローラによって提供される制御信号に応じて前記無線電力共振器のインピーダンスを調整できるように前記整合器の物理的な形態を変更することを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  7. 前記コントローラは、前記無線電力共振器から電力を受信し、前記無線電力共振器に電力を送信する相手共振器の状態に基づいて、前記制御信号を生成することを特徴とする請求項６に記載の無線電力共振器。
  8. 前記コントローラは、無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から前記無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、又は前記無線電力共振器と前記無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうちの少なくとも１つによって前記制御信号を生成することを特徴とする請求項６に記載の無線電力共振器。
  9. 前記少なくとも１つのキャパシタは、集中定数素子として前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  10. 前記少なくとも１つのキャパシタは分散素子としてジグザグ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  11. 前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスは、前記無線電力共振器がメタ物質の特性を有するか否かの判断基準、前記無線電力共振器が対象周波数で負の透磁率を有するか否かの判断基準、又は前記無線電力共振器が対象周波数でゼロ番目共振特性を有するか否かの判断基準のうちの少なくとも１つの判断基準下で決められることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  12. 前記第１信号導体部分の表面又は前記第２信号導体部分の表面は、複数の導体ラインを並列に含み、前記複数の導体ラインそれぞれの一端は接地されることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  13. 前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分、及び前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分は、別途の継ぎ目なしで互いに連結されることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  14. 前記第１信号導体部分、前記第２信号導体部分、又は前記グラウンド導体部分のうちの少なくとも１つの内部は、空いていることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  15. 前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分の間の空間を貫通するマグネチックコアを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  16. 前記無線電力共振器が、少なくとも１つの送信線路が少なくとも２つの送信線路を含む場合、
    前記少なくとも２つの送信線路は、直列、並列、又は螺旋状に接続され、
    前記少なくとも２つの送信線路それぞれに含まれる第１信号導体部分と第２信号導体部分との間には、少なくとも１つのキャパシタが挿入されることを特徴とする請求項１に記載の無線電力共振器。
  17. 無線電力送信装置において、
    前記無線電力送信装置は、
    電源供給機から供給されたエネルギーを用いて無線電力送信のための電流及び周波数を生成する前処理部と、
    前記周波数で前記電流を用いて無線で電力を送信する無線電力共振器と、を含み、
    前記無線電力共振器は、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を含み、
    前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整されることを特徴とする無線電力送信装置。
  18. 前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体は、ループ構造を形成することを特徴とする請求項１７に記載の無線電力送信装置。
  19. 前記整合器は、前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置することを特徴とする請求項１７に記載の無線電力送信装置。
  20. 前記前処理部は、
    前記電源供給機から供給された交流エネルギーを直流エネルギーに変換する交流−直流コンバータと、
    前記直流エネルギーによって前記周波数を有する前記電流を生成する周波数生成器と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線電力送信装置。
  21. 前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、又は前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうちの少なくとも１つによって制御信号を生成するコントローラを更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線電力送信装置。
  22. 前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、又は前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうちの少なくとも１つを検出する検出器を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線電力送信装置。
  23. 前記コントローラは、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の距離、前記無線電力共振器から無線電力受信装置の無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、又は前記無線電力共振器と無線電力受信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうちの少なくとも１つによって前記周波数を調整することを特徴とする請求項２１に記載の無線電力送信装置。
  24. 無線電力受信装置において、
    前記無線電力受信装置は、
    無線で電力を受信する無線電力共振器と、
    前記受信された電力を直流エネルギーに変換する整流器と、を含み、
    前記無線電力共振器は、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を含み、
    前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整されることを特徴とする無線電力受信装置。
  25. 前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体は、ループ構造を形成することを特徴とする請求項２４に記載の無線電力受信装置。
  26. 前記整合器は、前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置することを特徴とする請求項２４に記載の無線電力受信装置。
  27. 前記無線電力共振器と無線電力送信装置の無線電力共振器との間の距離、無線電力送信装置の無線電力共振器から前記無線電力共振器に送信される波動の反射係数、前記無線電力共振器と無線電力送信装置の無線電力共振器との間の電力送信利得、又は前記無線電力共振器と無線電力送信装置の無線電力共振器との間のカップリングの効率のうちの少なくとも１つによって制御信号を生成するコントローラを更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の無線電力受信装置。
  28. 無線電力送信方法において、
    電源供給機から供給されたエネルギーを用いて無線電力送信のための電流及び周波数を生成するステップと、
    無線電力共振器に前記電流及び周波数を提供するステップと、を含み、
    前記無線電力共振器は、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を用いて前記周波数で前記電流を用いて無線で電力を送信し、
    前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整されることを特徴とする無線電力送信方法。
  29. 前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体はループ構造を形成することを特徴とする請求項２８に記載の無線電力送信方法。
  30. 前記整合器は、前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置することを特徴とする請求項２８に記載の無線電力送信方法。
  31. 無線電力受信方法において、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を含む無線電力共振器を用いて無線で電力を受信するステップと、
    整流器を用いて前記受信された電力を直流エネルギーに変換するステップと、
    前記直流エネルギーをターゲットデバイスに提供するステップと、を含み、
    前記無線電力共振器のインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整されることを特徴とする無線電力受信方法。
  32. 前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体はループ構造を形成することを特徴とする請求項３１に記載の無線電力受信方法。
  33. 前記整合器は、前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置することを特徴とする請求項３１に記載の無線電力受信方法。
  34. 前記直流エネルギーを電力格納装置に格納するステップを更に含むことを特徴とする請求項３１に記載の無線電力受信方法。
  35. 前記直流エネルギーを前記ターゲットデバイスの電力として用いるステップを更に含むことを特徴とする請求項３１に記載の無線電力受信方法。
  36. 無線電力送信装置及び無線電力受信装置を含む無線電力送受信システムにおいて、
    前記無線電力送信装置は、
    電源供給機から供給されたエネルギーを用いて無線電力送信のための電流及び周波数を生成する前処理部と、
    前記周波数で前記電流を用いて前記無線電力受信装置に無線で電力を送信する無線電力送信共振器と、を含み、
    前記無線電力受信装置は、
    前記無線電力送信装置から無線で電力を受信する無線電力受信共振器と、
    前記受信された電力を直流エネルギーに変換する整流器と、を含み、
    前記無線電力送信共振器又は前記無線電力受信共振器のうちの少なくとも１つは、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グラウンド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、を含み、
    前記無線電力送信共振器又は前記無線電力受信共振器のうちの少なくとも１つは、前記グラウンド導体部分から所定の距離だけ離れたインピーダンスマッチングのための導体を含み前記無線電力送信共振器又は前記無線電力受信共振器のうちの少なくとも１つのインピーダンスを決定する整合器を更に含み、
    前記無線電力送信共振器又は前記無線電力受信共振器のうちの少なくとも１つのインピーダンスは、前記グラウンド導体部分と前記インピーダンスマッチングのための導体との間の距離に応じて調整されることを特徴とする送受信システム。
  37. 前記整合器は、前記送信線路、前記第１導体及び前記第２導体によって形成されるループの内部に位置することを特徴とする請求項３６に記載の送受信システム。
  38. 無線電力共振器において、
    第１信号導体部分及び第２信号導体部分と、前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分に対応するグラウンド導体部分を含む送信線路と、
    前記第１信号導体部分と前記グランド導体部分を電気的に接続する第１導体と、
    前記第２信号導体部分と前記グランド導体部分を電気的に接続する第２導体と、
    前記第１信号導体部分及び前記第２信号導体部分を流れる電流に対して直列に前記第１信号導体部分と前記第２信号導体部分との間に挿入される少なくとも１つのキャパシタと、
    前記無線電力共振器のインピーダンスを決定する整合器と、を含み、
    前記整合器は、コントローラによって提供される制御信号に応じて前記無線電力共振器のインピーダンスを調整する少なくとも１つの能動素子を含むことを特徴とする無線電力共振器。
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