エネルギー中継器を用いた無線エネルギー伝達方法およびシステム
【課題】この発明の実施の形態は、エネルギーを無線で伝達するように構成される方法およびシステムを開示する。
【解決手段】本システムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーをシンクに無線で伝達するように構成されるソースであって、エネルギーの受信に応答して、電磁（ＥＭ）近接場を生成する、ソースと、該ソースとシンクとの間の結合を増大させるように配置されるエネルギー中継器であって、ソース、シンク、およびエネルギー中継器は電磁および非放射構造である、エネルギー中継器とを備える。
【解決手段】本システムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーをシンクに無線で伝達するように構成されるソースであって、エネルギーの受信に応答して、電磁（ＥＭ）近接場を生成する、ソースと、該ソースとシンクとの間の結合を増大させるように配置されるエネルギー中継器であって、ソース、シンク、およびエネルギー中継器は電磁および非放射構造である、エネルギー中継器とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、Ｋｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏによって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する、２００９年１２月３日付けで出願された米国特許出願第（ＭＥＲＬ−２２１８）１２／６３０，４９８号、および、Ｋｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏによって本出願と同時出願され、参照により本明細書に援用される、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する、２００９年１２月ｘｘ日付けで出願された米国特許出願第（ＭＥＲＬ−２２５９）１２／ｘｘｘ，ｘｘｘ号に関する。
【０００２】
また、本出願は、２００９年１２月３日付けでＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ他によって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する（ＭＥＲＬ−２２２１）米国特許出願１２／６３０，５４３号、２００９年１２月３日付けでＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ他によって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する（ＭＥＲＬ−２２２２）米国特許出願１２／６３０，６６９号、および２００９年１２月３日付けでＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ他によって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する（ＭＥＲＬ−２２２３）米国特許出願１２／６３０，７１０号に関し、それらの特許出願はすべて参照により本明細書に援用される。
【０００３】
この発明は、エネルギーを伝達することに関し、より詳細には、エネルギーを無線で伝達することに関する。
【背景技術】
【０００４】
無線エネルギー伝達
誘導結合は、コードレス電子歯ブラシまたはハイブリッド車両バッテリの充電のような多くの無線エネルギー伝達用途において使用されている。変圧器、ソースのような結合インダクタにおいて、たとえば一次コイルが、電磁場としてエネルギーを生成し、シンク、たとえば２次コイルが、該シンクを通過するエネルギーが最適化される、たとえばソースのエネルギーと可能な限り類似するように電磁場の範囲を定める（ｓｕｂｔｅｎｄ）。エネルギーを最適化するために、ソースとシンクとの間の距離は可能な限り小さくなるべきである。これは、距離が長くなると誘導法が非常に効果のないものとなるためである。
【０００５】
共振結合系
共振結合において、２つの共振電磁物体、すなわちソースおよびシンクが、共振状態の下で互いに相互作用する。共振結合は中距離、たとえば共振周波数波長の数分の１にわたってソースからシンクにエネルギーを伝達する。
【０００６】
図１は、共振ソース１１０から共振シンク１２０へエネルギーを伝達するための従来の共振結合系１００を示している。系１００の動作の一般原理は誘導結合と類似している。ドライバ１４０がエネルギーを共振ソースに入力して、振動電磁場１１５を形成する。励起された電磁場は、ドライバにおける励起信号周波数、または共振系のためのソースおよびシンクの自己共振周波数に対して或るレートで減衰する。しかしながら、共振シンクが、各サイクルにおいて失ったエネルギーよりも多くのエネルギーをより多く吸収する場合、エネルギーのほとんどがシンクに伝達される。同じ共振周波数で共振ソースおよび共振シンクを動作させることによって、共振シンクがその周波数において低インピーダンスを有すると共に、エネルギーが最適に吸収されることが確実になる。共振結合系の例が、参照によって本明細書に援用される、米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号および同第２００７／０２２２５４２号に開示されている。
【０００７】
エネルギーは、複数の共振物体、たとえばサイズＬ１を有する共振ソースおよびサイズＬ２を有する共振シンク間で、距離Ｄにわたって伝達される。ドライバは電力供給器をソースに接続し、共振シンクは電力消費装置、たとえば抵抗負荷１５０に接続される。エネルギーは、ドライバによって共振ソースに供給され、共振ソースから共振シンクに無線でかつ非放射で伝達され、負荷によって消費される。無線非放射エネルギー伝達は、場１１５、たとえば共振系の電磁場または音場を使用して実行される。本明細書を簡略化するために、場１１５は電磁場である。共振物体の結合中、エバネッセント波１３０は共振ソースと共振シンクとの間で伝播される。
【０００８】
結合強化
結合モード理論によれば、結合強度は結合係数ｋによって表される。結合強化は、結合係数ｋの絶対値の増加によって表される。結合モード理論に基づいて、共振結合系の共振周波数は、複数の周波数に分割される。たとえば、２つの物体の共振結合系において、結合効果に起因して、偶モード周波数および奇モード周波数と呼ばれる２つの共振周波数が観測され得る。２つの全く同じ共振構造によって形成される２つの物体の共振系の結合係数は、以下にしたがって偶モードおよび奇モードを分割することによって計算される。
【０００９】
ｋ＝π｜ｆｅｖｅｎ−ｆｏｄｄ｜・・・（１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
結合を強化することが課題である。たとえば、結合を最適化するために、高い品質係数を有する共振物体が選択される。
したがって、ソースとシンクとの間の無線エネルギー伝達を最適化することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の１つの実施の形態は、エネルギーを無線で伝達するように構成されるシステムであって、本システムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーをシンクに無線で伝達するように構成されるソースであって、エネルギーの受信に応答して、電磁（ＥＭ）近接場を生成する、ソースと、該ソースとシンクとの間の結合を増大させるように配置されるエネルギー中継器であって、ソース、シンク、およびエネルギー中継器は電磁および非放射構造である、エネルギー中継器とを備える、システムを開示する。
【００１２】
この発明の別の実施の形態は、近接場の結合を介してエネルギーを無線で伝達するための方法であって、ソースを提供するステップであって、該ソースは、該ソースの近接場とシンクの近接場との結合を介して該シンクにエネルギーを無線で伝達するように構成され、ソースおよびシンクは、エネルギーの受信に応答して電磁（ＥＭ）近接場を生成するように構成される、ＥＭおよび非放射構造である、ソースを提供するステップと、エネルギー中継器を提供するステップであって、該エネルギー中継器は、シンクが所定のロケーションに配置されるとき、ソースとシンクとの間の結合を増大させるように構成される、エネルギー中継器を提供するステップと、エネルギーを無線で伝達するステップとを含む、方法を開示する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、ソースおよびシンクの近隣の少なくとも１つまたは複数のエネルギー中継器を、該エネルギー中継器によって、ソースによって生成されるいくつかのエバネッセント波がシンクにリダイレクトされるように戦略的に配置することによって、エネルギーソースとエネルギーシンクとの間のエバネッセント波の結合を最適化することができるという認識に基づく。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の共振結合系のブロック図である
【図２Ａ】この発明の実施の形態１による、エネルギー中継器を使用してエネルギーを伝達するためのシステムの例を示す図である。
【図２Ｂ】この発明の実施の形態１による電磁構造の図である。
【図３】異なるエネルギー分散パターンの図である。
【図４】異なるエネルギー分散パターンの図である。
【図５】異なるエネルギー分散パターンの図である。
【図６】複数のエネルギー中継器を使用してエネルギーを無線で供給するためのシステムの例を示す図である。
【図７】エネルギー中継器の実施態様の例を示す図である。
【図８】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図９】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１０】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１１】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１２】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１３】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による、エネルギーを無線で伝達または受信するのに適したシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１は、エネルギーソースとエネルギーシンクとの間のエバネッセント波の結合を、ソースおよびシンクの近隣における少なくとも１つのエネルギー中継器を、該エネルギー中継器によって、ソースによって生成されるいくつかのエバネッセント波がシンクにリダイレクトされるように戦略的に配置することによって、エネルギーソースとエネルギーシンクとの間のエバネッセント波の結合を最適化することができるという認識に基づく。
【００１６】
図２Ａは、ソース２１０からシンク２２０への無線エネルギー伝達を最適化するように構成されるこの発明の実施の形態１を示している。ドライバ２４０がエネルギー２６０をソース２１０に供給するとき、ソースはＥＭ近接場２１５を生成する。通常、近接場２１５は特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成される。後述するパターンは、最適ゾーンのような異なる複数のゾーンを有する。最適ゾーンにおいて、近接場強度は最適、すなわち最大である。ブラインドゾーンにおいて、近接場強度は準最適である。
【００１７】
近接場２１５に制限されるエバネッセント波２３０のうちのいくつかは、シンクに直接到達し、結合する。しかしながら、いくつかの他のエバネッセント波２３５はエネルギー中継器２２２に到達し、近接場２１６内のシンクにリダイレクトされる。エネルギー中継がなければ、波２３５は実質的にエネルギー伝送に役立たない。
【００１８】
ソースとシンクとの間の距離および配向を使用して、エネルギー中継器の特定の配置を確定する。いくつかの実施の形態１では、エネルギー中継器は受動であり、すなわちエネルギーの外部ソースに一切接続されないエネルギーであり、ソースから受信したエバネッセント波をリダイレクトする。他の実施の形態１では、エネルギー中継器は能動であり、すなわち近接場２１５で伝達されるエネルギーのうちのいくらかを吸収し、該エネルギーを増幅し、近接場２１６を再生するように構成される。したがって、この発明の実施の形態１は、ソースとシンクとの間の結合を増大させ、中継器を用いない場合よりも長い距離にわたって、ソースとシンクとの間のエネルギーの無線伝達を容易にする。
【００１９】
図２Ｂは、この発明の実施の形態１によるシステム２００を示している。本システムは、エネルギーを無線で交換する、たとえば送信または受信するように構成され、構造２１０を含み、該構造は、エネルギーが該構造によって受信されるときに電磁近接場２２０を生成すると共に、エバネッセント波の結合を介してエネルギーを無線で交換するように構成される。
【００２０】
１つの実施の形態１では、エネルギー２６０は当該技術分野において既知のドライバ２４０によって供給される。この実施の形態１では、構造２１０は無線エネルギー伝達システムのソースとしての役割を果たす。代替的な実施の形態１では、エネルギー２６０はソース（図示せず）から無線で供給される。この実施の形態１において、構造２１０は無線エネルギー伝達システムのシンクとしての役割を果たす。
【００２１】
システム２００は、オプションで、近接場２１５および２１６内に配置される負屈折率材料（ＮＩＭ）２３１〜２３４を備える。１つの実施の形態１では、ＮＩＭ２３３はＥＭ構造２１０を実質的に取り囲む。ＮＩＭは、負誘電率特性および負透磁率特性を有する材料である。この材料に関して、いくつかの特異な現象、たとえばエバネッセント波増幅、表面のプラズモンのような挙動、および負の屈折が知られている。この発明の実施の形態１は、ＮＩＭの特異な能力を理解および利用してエバネッセント波を増幅した。これによって無線エネルギー伝達が最適化される。
【００２２】
近接場の形状および寸法、すなわちエネルギー分散パターンは、外部エネルギー２６０の周波数およびＥＭ構造２１０の共振周波数に依拠し、部分的に、ＥＭ構造、たとえば円形形状、螺旋形状、円柱形状によって、並びに導電率、相対誘電率、および相対透磁率のようなＥＭ構造の材料のパラメーターによって確定される。
【００２３】
通常、近接場の範囲２７０は、系の主波長程度である。非共振系では、主波長は外部エネルギー２６０の周波数、すなわち波長λ２６５によって確定される。共振系では、主波長は、ＥＭ構造の共振周波数によって確定される。通常、主波長は無線で交換されるエネルギーの周波数によって確定される。
【００２４】
共鳴は、品質係数（Ｑ係数）、すなわち蓄積エネルギーと散逸エネルギーとの無次元の比によって特徴付けられる。システム２００の目的は、エネルギーを無線で伝達または受信することであるため、ドライバの周波数または共振周波数は、近接場領域の寸法を大きくするように選択される。いくつかの実施の形態１では、エネルギー２６０の周波数および／または共振周波数は、ＭＨｚからＧＨｚの域にある。他の実施の形態１では、上述の周波数は可視光領域にある。
【００２５】
エバネッセント波
エバネッセント波は、該波が形成された境界からの距離と共に強度が指数関数的に減衰する近接場定常波である。エバネッセント波２３５は、構造２１０と、波の動きに関して異なる特性を有する他の「媒体」、たとえば空気との間の境界において形成される。エバネッセント波は、外部エネルギーがＥＭ構造によって受信されるときに形成され、ＥＭ構造２１０の表面からの近接場の波長の３分の１内において最も強力である。
【００２６】
ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）
ウィスパリングギャラリーモードは、エバネッセント波が内部的に反射されるか、またはＥＭ構造の表面によって収束される、エネルギー分散パターンである。最小の反射損失および放射損失に起因して、ＷＧＭパターンは通常高い品質係数に達するため、ＷＧＭは無線エネルギー伝達に有用である。
【００２７】
図３は、ＥＭ構造の例、すなわちディスク３１０を示している。ディスク３１０の材料、幾何学形状、および寸法、並びに主周波数に依拠して、ＷＧＭパターン３２０にしたがって、ＥＭ近接場強度およびエネルギー密度がディスクの表面において最大になる。
【００２８】
ＷＧＭパターンはＥＭ構造の形状と必ずしも対称でない。ＷＧＭパターンは通常ブラインドゾーン３４５および最適ゾーン３４０を有し、ブラインドゾーン３４５において、ＥＭ近接場の強度は最小になり、最適ゾーン３４０においてＥＭ近接場の強度は最大になる。この発明のいくつかの実施の形態１は、最適ゾーン３４０にＮＩＭ２３０を置き、エバネッセント波３５０の距離範囲を拡張する。
【００２９】
偶モードおよび奇モード
図４は、バラフライエネルギー分散パターンを示している。２つのＥＭ構造４１１および４１２が互いに結合され結合系を形成する場合、結合系の主周波数は、偶周波数および奇周波数によって表される。偶周波数および奇周波数における近接場分散が、偶モード結合系４１０および奇モード結合系４２０として定義される。２つのＥＭ構造の結合系の偶モードおよび奇モードの一般的な特性は、ＥＭ場が偶モードで同相である場合、奇モードで位相が異なるということである。
【００３０】
バタフライ対
偶モード結合系および奇モード結合系は、バタフライ対として定義される、近接場強度の奇モード分散パターンおよび偶モード分散パターンを生成する。バタフライ対の近接場強度分散は、各ＥＭ構造の中心に対し０度および９０度に配向される２つの線４３１および４３２、すなわちバタフライ対のブラインドゾーンにおいて最小に達する。しかしながら、強度分散を変更し、ブラインドゾーンの位置および／または配向を排除および／または変更することが多くの場合に望まれている。
【００３１】
交差対
図５は、この発明の実施の形態１による、交差対５００として定義される近接場強度の分散パターンを示している。交差対分散パターンは、各ＥＭ構造の中心に対し０度および９０度に配向される最適ゾーン１２３１および１２３２を有する。すなわち、交差対パターンの最適ゾーンは、バタフライ対パターンのブラインドゾーンに対応する。したがって、バタフライ対パターンおよび交差対パターンの１つの重要な特性は、それらのパターンのそれぞれのブラインドゾーンが重複せず、このため双方の種類のパターンが利用される場合にブラインドゾーンを排除することが可能であるということである。バタフライパターンおよび交差パターンは、同じ桁のシステム品質係数および結合係数を有する。
【００３２】
エネルギー中継器配置
この発明のいくつかの実施の形態１は、バタフライ対エネルギー分散パターンおよび交差対エネルギー分散パターンの知識を使用して、ソースおよびシンクの近隣にエネルギー中継器を配置する。いくつかの実施の形態１では、シンクのロケーションは所定であり、エネルギー中継器は、シンクが所定のロケーションに配置されるときに、ソースとシンクとの間の結合を最適化するように配置される。いくつかの実施の形態１では、この目標は実験的に達成される。
【００３３】
別の実施の形態１では、ソースはエネルギーを複数のシンクに伝送するように構成される。したがって、エネルギー中継器は、２つ以上のシンクの結合を増大させるように配置される。
【００３４】
図６は、第１のエネルギー中継器６３０および第２のエネルギー中継器６４０を使用して、ソース６１０からシンク６２０へのエネルギー伝送を最適化するように構成されるシステム６００の例を示している。この実施の形態１では、ソース、シンク、およびエネルギー中継器のＥＭ構造は、図７に示すループ７００として実現される。半径ｒのループが半径ａの導線７１０、および相対誘電率εを有するコンデンサ７２０によって形成される。コンデンサの平板面積はＡであり、平板は距離ｄにわたって分離される。ループ７００は軸７０５を有し、共振構造である。しかしながら、他の実施の形態１は構造の異なる実施の形態１、たとえばディスクを使用する。
【００３５】
ソース６１０およびシンク６２０は、それらのそれぞれの中心から測定して、互いから距離Ｄで配置される。ソースおよびシンクは、ソースおよびシンクの軸が同じ線に沿うように位置合わせされる。ソースはドライバ（図示せず）に接続され、シンクは負荷（図示せず）に接続される。
【００３６】
第１のエネルギー中継器および第２のエネルギー中継器は距離ｄｓだけ離され、ソースとシンクとの間のエバネッセント波の結合を増大させるように配置される。距離ｄｓは、エネルギー中継器が互いに強力に結合されないように選択される。１つの実施の形態１では、エネルギー中継器のループは、それらの軸がシンクを指すように回転される。別の実施の形態１では、エネルギー中継器のループの軸は、ソースおよびシンクの軸と直交する。さらに別の実施の形態１では、エネルギー中継器の配向は任意である。
【００３７】
図８〜図１１は、ソース６１０およびシンク６２０の配置に対する系の周波数の依存状態を示している。ここで、エネルギー中継器は非能動である。たとえば、ソースとシンクとの間の距離が増大すると、奇モード周波数８０５および偶モード周波数８１５は、図８に示すように、主周波数８２５に向かって収束する。
【００３８】
図９は、モード周波数におけるソースまたはシンクのいずれかの回転の効果を示す概略図を示している。この実施の形態１では、２つのモード周波数は、回転に関わらず比較的安定している。
【００３９】
図１０は、モード周波数の同軸位置合わせからソースまたはシンクの変位の効果を示す概略図を示している。１つの実施の形態１では、変位は６０ｃｍ〜０ｃｍの範囲内にある。図示するように、変位が閾値、たとえば６０ｃｍに達すると、奇周波数および偶周波数は、個々の共振周波数に接近する。
【００４０】
図１１は、ソースおよびシンクの異なる配置の結合係数を示している。図示されるように、ソースとシンクとの間の距離は、結合係数に最も影響し、次に変位、次に回転に影響する。
【００４１】
図１２および図１３は、この発明の、エネルギー中継器を用いる実施の形態１および用いない実施の形態１を比較するグラフを示している。図１２は、エネルギー中継器を含むシステム、すなわち曲線１２００および１２２０の場合に、非能動エネルギー中継器を用いるシステム、すなわち曲線１２１０および１２３０の場合よりも結合係数がより大きくなることを示している。図１３は、エネルギー中継器を用いるシステムの結合係数と、用いないシステムの結合係数と間の比較を示している。
【００４２】
この発明のいくつかの実施の形態１は、結合が或る距離範囲にわたって最適化されることを可能にする受動エネルギー中継器または能動エネルギー中継器のより大きなネットワークを使用する。通常、エネルギー中継器は、シンク―ソース共振器リンクを強力に結合しないように配置される。
【００４３】
この発明を好ましい実施の形態１の例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入るすべての変形および変更を包含することである。
【００４４】
実施の形態２．
この発明の別の実施の形態２は、近接場の結合を介してエネルギーを無線で交換するための方法であって、第１の構造を提供するステップであって、該第１の構造は、該第１の構造の近接場と第２の構造の近接場との結合を介して該第２の構造とエネルギーを無線で交換するように構成され、該第１の構造および該第２の構造は、電磁（ＥＭ）および非放射であり、該第１の構造および該第２の構造は、エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、第１の構造を提供するステップと、第１の構造と第２の構造との間の配向を確定するステップと、第１の構造の近接場が、配向に最適な特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように第１の構造の主周波数を調整するステップと、エネルギーを無線で交換するステップとを含む、方法を提供する。
【００４５】
この発明の実施の形態２は、無線エネルギー伝達システムのソースまたはシンクの主周波数を調整することによって、異なるゾーンにおいて最大強度を有する、少なくとも４つの異なる電磁（ＥＭ）エネルギー分散パターンを生成することが可能になるという認識に基づく。この認識によって、最適な効率で異なる方向にエネルギーを伝達することが可能になる。
【００４６】
図１４は、調整可能なソース２１０から複数のシンクへの無線エネルギー伝達を最適化するように構成される、この発明の実施の形態２を示している。ドライバ２４０がエネルギー２６０をソース２１０に供給すると、該ソースはＥＭ近接場２１５を生成する。通常、近接場２１５は特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成される。該パターンは、後述するように、近接場強度が最適、すなわち最大である最適ゾーン、および近接場強度が最小にされるブラインドゾーンのような異なる複数のゾーンを有する。
【００４７】
いくつかの用途では、エネルギーを２つ以上のシンク、たとえばシンク１２２１およびシンク２２２２に伝達することが好都合である。しかしながら、シンク１がソースのエネルギー分散パターンの最適ゾーンを占有する場合、シンク２はパターンのブラインドゾーンに位置する可能性がある。したがって、コントローラ２７０は、ソース２１０の主周波数を調整して、エネルギー分散パターン２１５を別のエネルギー分散パターン２１６にする。ここで、パターン２１６の最適ゾーンがパターン２１５のブラインドゾーンに置き換わる。１つの実施の形態２では、パターン２１５は偶バラフライパターンまたは奇バタフライパターンのいずれかであり、パターン２１６は偶交差パターンまたは奇交差パターンのいずれかである。
【００４８】
ソースとシンクとの間の配向を使用して、該ソースと該シンクとの間の無線エネルギー伝達のための特定の最適パターンを確定する。したがって、実施の形態２によって、１つのソースを再利用して、異なる複数のシンクのロケーションに対応する複数の方向にエネルギーを最適に伝達することが容易になる。同様に、１つのシンクは複数のソースから、すなわち異なる複数の方向からエネルギーを受信することができる。
【００４９】
１つの実施の形態２では、主周波数の調整は、発振器、たとえば電圧発振器またはデジタル制御発振器によって達成される。コントローラ２７０は、発振器の制御信号、たとえば電圧またはデジタル信号をモニタリングして、システムのための所望の共振周波数を達成する。そのような発振器の例は、Ｄｉｇｉ−ｋｅｙ社およびＮａｒｄａ社によって製造された発振器である。別の例は、Ｃｒｙｓｔｅｃｋ社の発振器（型番：ＣＶＣＯ５５ＣＬ−００６０−０１１０）である。該発振器は、調整電圧を０．５Ｖ〜９．５Ｖで変化させながら６０ＭＨｚ〜１１０ＭＨｚの周波数調整範囲を提供する。
【００５０】
システム２００は、オプションで、近接場２２０内に配置される負屈折率材料（ＮＩＭ）２３１〜２３３を備える。
【００５１】
この発明の実施の形態２は、ソースの主周波数を調整して、少なくとも４つの異なるエネルギー分散パターンを生成する。これらのパターンはバタフライ対パターンおよび交差対パターンを含む。ソースとシンクとの間の配向を使用して、ソースとシンクとの間の無線エネルギー伝達に最適な特定のパターンを確定する。したがって、この発明の実施の形態２によって、１つのソースを再利用して、異なる複数のシンクのロケーションに対応する複数の方向にエネルギーを最適に伝達することが容易になる。同様に、１つのシンクは複数のソースから、すなわち異なる複数の方向からエネルギーを受信することができる。
【００５２】
この発明を好ましい実施の形態２の例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入るすべての変形および変更を包含することである。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、Ｋｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏによって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する、２００９年１２月３日付けで出願された米国特許出願第（ＭＥＲＬ−２２１８）１２／６３０，４９８号、および、Ｋｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏによって本出願と同時出願され、参照により本明細書に援用される、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する、２００９年１２月ｘｘ日付けで出願された米国特許出願第（ＭＥＲＬ−２２５９）１２／ｘｘｘ，ｘｘｘ号に関する。
【０００２】
また、本出願は、２００９年１２月３日付けでＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ他によって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する（ＭＥＲＬ−２２２１）米国特許出願１２／６３０，５４３号、２００９年１２月３日付けでＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ他によって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する（ＭＥＲＬ−２２２２）米国特許出願１２／６３０，６６９号、および２００９年１２月３日付けでＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ他によって出願された、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する（ＭＥＲＬ−２２２３）米国特許出願１２／６３０，７１０号に関し、それらの特許出願はすべて参照により本明細書に援用される。
【０００３】
この発明は、エネルギーを伝達することに関し、より詳細には、エネルギーを無線で伝達することに関する。
【背景技術】
【０００４】
無線エネルギー伝達
誘導結合は、コードレス電子歯ブラシまたはハイブリッド車両バッテリの充電のような多くの無線エネルギー伝達用途において使用されている。変圧器、ソースのような結合インダクタにおいて、たとえば一次コイルが、電磁場としてエネルギーを生成し、シンク、たとえば２次コイルが、該シンクを通過するエネルギーが最適化される、たとえばソースのエネルギーと可能な限り類似するように電磁場の範囲を定める（ｓｕｂｔｅｎｄ）。エネルギーを最適化するために、ソースとシンクとの間の距離は可能な限り小さくなるべきである。これは、距離が長くなると誘導法が非常に効果のないものとなるためである。
【０００５】
共振結合系
共振結合において、２つの共振電磁物体、すなわちソースおよびシンクが、共振状態の下で互いに相互作用する。共振結合は中距離、たとえば共振周波数波長の数分の１にわたってソースからシンクにエネルギーを伝達する。
【０００６】
図１は、共振ソース１１０から共振シンク１２０へエネルギーを伝達するための従来の共振結合系１００を示している。系１００の動作の一般原理は誘導結合と類似している。ドライバ１４０がエネルギーを共振ソースに入力して、振動電磁場１１５を形成する。励起された電磁場は、ドライバにおける励起信号周波数、または共振系のためのソースおよびシンクの自己共振周波数に対して或るレートで減衰する。しかしながら、共振シンクが、各サイクルにおいて失ったエネルギーよりも多くのエネルギーをより多く吸収する場合、エネルギーのほとんどがシンクに伝達される。同じ共振周波数で共振ソースおよび共振シンクを動作させることによって、共振シンクがその周波数において低インピーダンスを有すると共に、エネルギーが最適に吸収されることが確実になる。共振結合系の例が、参照によって本明細書に援用される、米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号および同第２００７／０２２２５４２号に開示されている。
【０００７】
エネルギーは、複数の共振物体、たとえばサイズＬ１を有する共振ソースおよびサイズＬ２を有する共振シンク間で、距離Ｄにわたって伝達される。ドライバは電力供給器をソースに接続し、共振シンクは電力消費装置、たとえば抵抗負荷１５０に接続される。エネルギーは、ドライバによって共振ソースに供給され、共振ソースから共振シンクに無線でかつ非放射で伝達され、負荷によって消費される。無線非放射エネルギー伝達は、場１１５、たとえば共振系の電磁場または音場を使用して実行される。本明細書を簡略化するために、場１１５は電磁場である。共振物体の結合中、エバネッセント波１３０は共振ソースと共振シンクとの間で伝播される。
【０００８】
結合強化
結合モード理論によれば、結合強度は結合係数ｋによって表される。結合強化は、結合係数ｋの絶対値の増加によって表される。結合モード理論に基づいて、共振結合系の共振周波数は、複数の周波数に分割される。たとえば、２つの物体の共振結合系において、結合効果に起因して、偶モード周波数および奇モード周波数と呼ばれる２つの共振周波数が観測され得る。２つの全く同じ共振構造によって形成される２つの物体の共振系の結合係数は、以下にしたがって偶モードおよび奇モードを分割することによって計算される。
【０００９】
ｋ＝π｜ｆｅｖｅｎ−ｆｏｄｄ｜・・・（１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
結合を強化することが課題である。たとえば、結合を最適化するために、高い品質係数を有する共振物体が選択される。
したがって、ソースとシンクとの間の無線エネルギー伝達を最適化することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の１つの実施の形態は、エネルギーを無線で伝達するように構成されるシステムであって、本システムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーをシンクに無線で伝達するように構成されるソースであって、エネルギーの受信に応答して、電磁（ＥＭ）近接場を生成する、ソースと、該ソースとシンクとの間の結合を増大させるように配置されるエネルギー中継器であって、ソース、シンク、およびエネルギー中継器は電磁および非放射構造である、エネルギー中継器とを備える、システムを開示する。
【００１２】
この発明の別の実施の形態は、近接場の結合を介してエネルギーを無線で伝達するための方法であって、ソースを提供するステップであって、該ソースは、該ソースの近接場とシンクの近接場との結合を介して該シンクにエネルギーを無線で伝達するように構成され、ソースおよびシンクは、エネルギーの受信に応答して電磁（ＥＭ）近接場を生成するように構成される、ＥＭおよび非放射構造である、ソースを提供するステップと、エネルギー中継器を提供するステップであって、該エネルギー中継器は、シンクが所定のロケーションに配置されるとき、ソースとシンクとの間の結合を増大させるように構成される、エネルギー中継器を提供するステップと、エネルギーを無線で伝達するステップとを含む、方法を開示する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、ソースおよびシンクの近隣の少なくとも１つまたは複数のエネルギー中継器を、該エネルギー中継器によって、ソースによって生成されるいくつかのエバネッセント波がシンクにリダイレクトされるように戦略的に配置することによって、エネルギーソースとエネルギーシンクとの間のエバネッセント波の結合を最適化することができるという認識に基づく。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の共振結合系のブロック図である
【図２Ａ】この発明の実施の形態１による、エネルギー中継器を使用してエネルギーを伝達するためのシステムの例を示す図である。
【図２Ｂ】この発明の実施の形態１による電磁構造の図である。
【図３】異なるエネルギー分散パターンの図である。
【図４】異なるエネルギー分散パターンの図である。
【図５】異なるエネルギー分散パターンの図である。
【図６】複数のエネルギー中継器を使用してエネルギーを無線で供給するためのシステムの例を示す図である。
【図７】エネルギー中継器の実施態様の例を示す図である。
【図８】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図９】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１０】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１１】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１２】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１３】この発明の異なる実施の形態１の効果を示す概略図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による、エネルギーを無線で伝達または受信するのに適したシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１は、エネルギーソースとエネルギーシンクとの間のエバネッセント波の結合を、ソースおよびシンクの近隣における少なくとも１つのエネルギー中継器を、該エネルギー中継器によって、ソースによって生成されるいくつかのエバネッセント波がシンクにリダイレクトされるように戦略的に配置することによって、エネルギーソースとエネルギーシンクとの間のエバネッセント波の結合を最適化することができるという認識に基づく。
【００１６】
図２Ａは、ソース２１０からシンク２２０への無線エネルギー伝達を最適化するように構成されるこの発明の実施の形態１を示している。ドライバ２４０がエネルギー２６０をソース２１０に供給するとき、ソースはＥＭ近接場２１５を生成する。通常、近接場２１５は特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成される。後述するパターンは、最適ゾーンのような異なる複数のゾーンを有する。最適ゾーンにおいて、近接場強度は最適、すなわち最大である。ブラインドゾーンにおいて、近接場強度は準最適である。
【００１７】
近接場２１５に制限されるエバネッセント波２３０のうちのいくつかは、シンクに直接到達し、結合する。しかしながら、いくつかの他のエバネッセント波２３５はエネルギー中継器２２２に到達し、近接場２１６内のシンクにリダイレクトされる。エネルギー中継がなければ、波２３５は実質的にエネルギー伝送に役立たない。
【００１８】
ソースとシンクとの間の距離および配向を使用して、エネルギー中継器の特定の配置を確定する。いくつかの実施の形態１では、エネルギー中継器は受動であり、すなわちエネルギーの外部ソースに一切接続されないエネルギーであり、ソースから受信したエバネッセント波をリダイレクトする。他の実施の形態１では、エネルギー中継器は能動であり、すなわち近接場２１５で伝達されるエネルギーのうちのいくらかを吸収し、該エネルギーを増幅し、近接場２１６を再生するように構成される。したがって、この発明の実施の形態１は、ソースとシンクとの間の結合を増大させ、中継器を用いない場合よりも長い距離にわたって、ソースとシンクとの間のエネルギーの無線伝達を容易にする。
【００１９】
図２Ｂは、この発明の実施の形態１によるシステム２００を示している。本システムは、エネルギーを無線で交換する、たとえば送信または受信するように構成され、構造２１０を含み、該構造は、エネルギーが該構造によって受信されるときに電磁近接場２２０を生成すると共に、エバネッセント波の結合を介してエネルギーを無線で交換するように構成される。
【００２０】
１つの実施の形態１では、エネルギー２６０は当該技術分野において既知のドライバ２４０によって供給される。この実施の形態１では、構造２１０は無線エネルギー伝達システムのソースとしての役割を果たす。代替的な実施の形態１では、エネルギー２６０はソース（図示せず）から無線で供給される。この実施の形態１において、構造２１０は無線エネルギー伝達システムのシンクとしての役割を果たす。
【００２１】
システム２００は、オプションで、近接場２１５および２１６内に配置される負屈折率材料（ＮＩＭ）２３１〜２３４を備える。１つの実施の形態１では、ＮＩＭ２３３はＥＭ構造２１０を実質的に取り囲む。ＮＩＭは、負誘電率特性および負透磁率特性を有する材料である。この材料に関して、いくつかの特異な現象、たとえばエバネッセント波増幅、表面のプラズモンのような挙動、および負の屈折が知られている。この発明の実施の形態１は、ＮＩＭの特異な能力を理解および利用してエバネッセント波を増幅した。これによって無線エネルギー伝達が最適化される。
【００２２】
近接場の形状および寸法、すなわちエネルギー分散パターンは、外部エネルギー２６０の周波数およびＥＭ構造２１０の共振周波数に依拠し、部分的に、ＥＭ構造、たとえば円形形状、螺旋形状、円柱形状によって、並びに導電率、相対誘電率、および相対透磁率のようなＥＭ構造の材料のパラメーターによって確定される。
【００２３】
通常、近接場の範囲２７０は、系の主波長程度である。非共振系では、主波長は外部エネルギー２６０の周波数、すなわち波長λ２６５によって確定される。共振系では、主波長は、ＥＭ構造の共振周波数によって確定される。通常、主波長は無線で交換されるエネルギーの周波数によって確定される。
【００２４】
共鳴は、品質係数（Ｑ係数）、すなわち蓄積エネルギーと散逸エネルギーとの無次元の比によって特徴付けられる。システム２００の目的は、エネルギーを無線で伝達または受信することであるため、ドライバの周波数または共振周波数は、近接場領域の寸法を大きくするように選択される。いくつかの実施の形態１では、エネルギー２６０の周波数および／または共振周波数は、ＭＨｚからＧＨｚの域にある。他の実施の形態１では、上述の周波数は可視光領域にある。
【００２５】
エバネッセント波
エバネッセント波は、該波が形成された境界からの距離と共に強度が指数関数的に減衰する近接場定常波である。エバネッセント波２３５は、構造２１０と、波の動きに関して異なる特性を有する他の「媒体」、たとえば空気との間の境界において形成される。エバネッセント波は、外部エネルギーがＥＭ構造によって受信されるときに形成され、ＥＭ構造２１０の表面からの近接場の波長の３分の１内において最も強力である。
【００２６】
ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）
ウィスパリングギャラリーモードは、エバネッセント波が内部的に反射されるか、またはＥＭ構造の表面によって収束される、エネルギー分散パターンである。最小の反射損失および放射損失に起因して、ＷＧＭパターンは通常高い品質係数に達するため、ＷＧＭは無線エネルギー伝達に有用である。
【００２７】
図３は、ＥＭ構造の例、すなわちディスク３１０を示している。ディスク３１０の材料、幾何学形状、および寸法、並びに主周波数に依拠して、ＷＧＭパターン３２０にしたがって、ＥＭ近接場強度およびエネルギー密度がディスクの表面において最大になる。
【００２８】
ＷＧＭパターンはＥＭ構造の形状と必ずしも対称でない。ＷＧＭパターンは通常ブラインドゾーン３４５および最適ゾーン３４０を有し、ブラインドゾーン３４５において、ＥＭ近接場の強度は最小になり、最適ゾーン３４０においてＥＭ近接場の強度は最大になる。この発明のいくつかの実施の形態１は、最適ゾーン３４０にＮＩＭ２３０を置き、エバネッセント波３５０の距離範囲を拡張する。
【００２９】
偶モードおよび奇モード
図４は、バラフライエネルギー分散パターンを示している。２つのＥＭ構造４１１および４１２が互いに結合され結合系を形成する場合、結合系の主周波数は、偶周波数および奇周波数によって表される。偶周波数および奇周波数における近接場分散が、偶モード結合系４１０および奇モード結合系４２０として定義される。２つのＥＭ構造の結合系の偶モードおよび奇モードの一般的な特性は、ＥＭ場が偶モードで同相である場合、奇モードで位相が異なるということである。
【００３０】
バタフライ対
偶モード結合系および奇モード結合系は、バタフライ対として定義される、近接場強度の奇モード分散パターンおよび偶モード分散パターンを生成する。バタフライ対の近接場強度分散は、各ＥＭ構造の中心に対し０度および９０度に配向される２つの線４３１および４３２、すなわちバタフライ対のブラインドゾーンにおいて最小に達する。しかしながら、強度分散を変更し、ブラインドゾーンの位置および／または配向を排除および／または変更することが多くの場合に望まれている。
【００３１】
交差対
図５は、この発明の実施の形態１による、交差対５００として定義される近接場強度の分散パターンを示している。交差対分散パターンは、各ＥＭ構造の中心に対し０度および９０度に配向される最適ゾーン１２３１および１２３２を有する。すなわち、交差対パターンの最適ゾーンは、バタフライ対パターンのブラインドゾーンに対応する。したがって、バタフライ対パターンおよび交差対パターンの１つの重要な特性は、それらのパターンのそれぞれのブラインドゾーンが重複せず、このため双方の種類のパターンが利用される場合にブラインドゾーンを排除することが可能であるということである。バタフライパターンおよび交差パターンは、同じ桁のシステム品質係数および結合係数を有する。
【００３２】
エネルギー中継器配置
この発明のいくつかの実施の形態１は、バタフライ対エネルギー分散パターンおよび交差対エネルギー分散パターンの知識を使用して、ソースおよびシンクの近隣にエネルギー中継器を配置する。いくつかの実施の形態１では、シンクのロケーションは所定であり、エネルギー中継器は、シンクが所定のロケーションに配置されるときに、ソースとシンクとの間の結合を最適化するように配置される。いくつかの実施の形態１では、この目標は実験的に達成される。
【００３３】
別の実施の形態１では、ソースはエネルギーを複数のシンクに伝送するように構成される。したがって、エネルギー中継器は、２つ以上のシンクの結合を増大させるように配置される。
【００３４】
図６は、第１のエネルギー中継器６３０および第２のエネルギー中継器６４０を使用して、ソース６１０からシンク６２０へのエネルギー伝送を最適化するように構成されるシステム６００の例を示している。この実施の形態１では、ソース、シンク、およびエネルギー中継器のＥＭ構造は、図７に示すループ７００として実現される。半径ｒのループが半径ａの導線７１０、および相対誘電率εを有するコンデンサ７２０によって形成される。コンデンサの平板面積はＡであり、平板は距離ｄにわたって分離される。ループ７００は軸７０５を有し、共振構造である。しかしながら、他の実施の形態１は構造の異なる実施の形態１、たとえばディスクを使用する。
【００３５】
ソース６１０およびシンク６２０は、それらのそれぞれの中心から測定して、互いから距離Ｄで配置される。ソースおよびシンクは、ソースおよびシンクの軸が同じ線に沿うように位置合わせされる。ソースはドライバ（図示せず）に接続され、シンクは負荷（図示せず）に接続される。
【００３６】
第１のエネルギー中継器および第２のエネルギー中継器は距離ｄｓだけ離され、ソースとシンクとの間のエバネッセント波の結合を増大させるように配置される。距離ｄｓは、エネルギー中継器が互いに強力に結合されないように選択される。１つの実施の形態１では、エネルギー中継器のループは、それらの軸がシンクを指すように回転される。別の実施の形態１では、エネルギー中継器のループの軸は、ソースおよびシンクの軸と直交する。さらに別の実施の形態１では、エネルギー中継器の配向は任意である。
【００３７】
図８〜図１１は、ソース６１０およびシンク６２０の配置に対する系の周波数の依存状態を示している。ここで、エネルギー中継器は非能動である。たとえば、ソースとシンクとの間の距離が増大すると、奇モード周波数８０５および偶モード周波数８１５は、図８に示すように、主周波数８２５に向かって収束する。
【００３８】
図９は、モード周波数におけるソースまたはシンクのいずれかの回転の効果を示す概略図を示している。この実施の形態１では、２つのモード周波数は、回転に関わらず比較的安定している。
【００３９】
図１０は、モード周波数の同軸位置合わせからソースまたはシンクの変位の効果を示す概略図を示している。１つの実施の形態１では、変位は６０ｃｍ〜０ｃｍの範囲内にある。図示するように、変位が閾値、たとえば６０ｃｍに達すると、奇周波数および偶周波数は、個々の共振周波数に接近する。
【００４０】
図１１は、ソースおよびシンクの異なる配置の結合係数を示している。図示されるように、ソースとシンクとの間の距離は、結合係数に最も影響し、次に変位、次に回転に影響する。
【００４１】
図１２および図１３は、この発明の、エネルギー中継器を用いる実施の形態１および用いない実施の形態１を比較するグラフを示している。図１２は、エネルギー中継器を含むシステム、すなわち曲線１２００および１２２０の場合に、非能動エネルギー中継器を用いるシステム、すなわち曲線１２１０および１２３０の場合よりも結合係数がより大きくなることを示している。図１３は、エネルギー中継器を用いるシステムの結合係数と、用いないシステムの結合係数と間の比較を示している。
【００４２】
この発明のいくつかの実施の形態１は、結合が或る距離範囲にわたって最適化されることを可能にする受動エネルギー中継器または能動エネルギー中継器のより大きなネットワークを使用する。通常、エネルギー中継器は、シンク―ソース共振器リンクを強力に結合しないように配置される。
【００４３】
この発明を好ましい実施の形態１の例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入るすべての変形および変更を包含することである。
【００４４】
実施の形態２．
この発明の別の実施の形態２は、近接場の結合を介してエネルギーを無線で交換するための方法であって、第１の構造を提供するステップであって、該第１の構造は、該第１の構造の近接場と第２の構造の近接場との結合を介して該第２の構造とエネルギーを無線で交換するように構成され、該第１の構造および該第２の構造は、電磁（ＥＭ）および非放射であり、該第１の構造および該第２の構造は、エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、第１の構造を提供するステップと、第１の構造と第２の構造との間の配向を確定するステップと、第１の構造の近接場が、配向に最適な特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように第１の構造の主周波数を調整するステップと、エネルギーを無線で交換するステップとを含む、方法を提供する。
【００４５】
この発明の実施の形態２は、無線エネルギー伝達システムのソースまたはシンクの主周波数を調整することによって、異なるゾーンにおいて最大強度を有する、少なくとも４つの異なる電磁（ＥＭ）エネルギー分散パターンを生成することが可能になるという認識に基づく。この認識によって、最適な効率で異なる方向にエネルギーを伝達することが可能になる。
【００４６】
図１４は、調整可能なソース２１０から複数のシンクへの無線エネルギー伝達を最適化するように構成される、この発明の実施の形態２を示している。ドライバ２４０がエネルギー２６０をソース２１０に供給すると、該ソースはＥＭ近接場２１５を生成する。通常、近接場２１５は特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成される。該パターンは、後述するように、近接場強度が最適、すなわち最大である最適ゾーン、および近接場強度が最小にされるブラインドゾーンのような異なる複数のゾーンを有する。
【００４７】
いくつかの用途では、エネルギーを２つ以上のシンク、たとえばシンク１２２１およびシンク２２２２に伝達することが好都合である。しかしながら、シンク１がソースのエネルギー分散パターンの最適ゾーンを占有する場合、シンク２はパターンのブラインドゾーンに位置する可能性がある。したがって、コントローラ２７０は、ソース２１０の主周波数を調整して、エネルギー分散パターン２１５を別のエネルギー分散パターン２１６にする。ここで、パターン２１６の最適ゾーンがパターン２１５のブラインドゾーンに置き換わる。１つの実施の形態２では、パターン２１５は偶バラフライパターンまたは奇バタフライパターンのいずれかであり、パターン２１６は偶交差パターンまたは奇交差パターンのいずれかである。
【００４８】
ソースとシンクとの間の配向を使用して、該ソースと該シンクとの間の無線エネルギー伝達のための特定の最適パターンを確定する。したがって、実施の形態２によって、１つのソースを再利用して、異なる複数のシンクのロケーションに対応する複数の方向にエネルギーを最適に伝達することが容易になる。同様に、１つのシンクは複数のソースから、すなわち異なる複数の方向からエネルギーを受信することができる。
【００４９】
１つの実施の形態２では、主周波数の調整は、発振器、たとえば電圧発振器またはデジタル制御発振器によって達成される。コントローラ２７０は、発振器の制御信号、たとえば電圧またはデジタル信号をモニタリングして、システムのための所望の共振周波数を達成する。そのような発振器の例は、Ｄｉｇｉ−ｋｅｙ社およびＮａｒｄａ社によって製造された発振器である。別の例は、Ｃｒｙｓｔｅｃｋ社の発振器（型番：ＣＶＣＯ５５ＣＬ−００６０−０１１０）である。該発振器は、調整電圧を０．５Ｖ〜９．５Ｖで変化させながら６０ＭＨｚ〜１１０ＭＨｚの周波数調整範囲を提供する。
【００５０】
システム２００は、オプションで、近接場２２０内に配置される負屈折率材料（ＮＩＭ）２３１〜２３３を備える。
【００５１】
この発明の実施の形態２は、ソースの主周波数を調整して、少なくとも４つの異なるエネルギー分散パターンを生成する。これらのパターンはバタフライ対パターンおよび交差対パターンを含む。ソースとシンクとの間の配向を使用して、ソースとシンクとの間の無線エネルギー伝達に最適な特定のパターンを確定する。したがって、この発明の実施の形態２によって、１つのソースを再利用して、異なる複数のシンクのロケーションに対応する複数の方向にエネルギーを最適に伝達することが容易になる。同様に、１つのシンクは複数のソースから、すなわち異なる複数の方向からエネルギーを受信することができる。
【００５２】
この発明を好ましい実施の形態２の例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入るすべての変形および変更を包含することである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを無線で伝達するように構成されるシステムであって、
前記エネルギーを、エバネッセント波の結合を介してシンクに無線で伝達するように構成されるソースであって、前記エネルギーの受信に応答して、電磁（ＥＭ）近接場を生成する、ソースと、
前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように配置されるエネルギー中継器であって、前記ソース、前記シンク、および前記エネルギー中継器は電磁および非放射構造である、エネルギー中継器と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記エネルギー伝達中の前記シンクのロケーションは所定であり、前記エネルギー中継器は、前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように配置され、一方、前記シンクは前記所定のローケーションに配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記エネルギーを前記ソースに供給するように構成されるドライバをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記結合を強化するように前記ＥＭ近接場内に配置される負屈折率材料（ＮＩＭ）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ソースおよび前記エネルギー中継器は共振構造である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＮＩＭは、前記シンクの前記所定のロケーションに基づいて配置される、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＮＩＭは、前記ソースを取り囲むように配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記エネルギー中継器は、偶バタフライパターン、奇バタフライパターン、偶交差パターン、および奇交差パターンから成るパターン群から選択されるエネルギー分散パターンに基づいて配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記エネルギー分散パターンは、前記ソース、前記エネルギー中継器、および前記シンク間の距離および／または配向に基づいて確定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＮＩＭは負誘電率特性および負透磁率特性を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記エネルギー中継器は、前記ソースから前記エバネッセント波を受信すると共に、該エバネッセント波の少なくともいくつかを前記シンクにリダイレクトするように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エネルギー中継器は、前記ソースから前記エネルギーを受信すると共に、該エネルギーを増幅すると共に、該エネルギーを前記シンクに伝送するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エネルギー中継器はループを含み、該ループは、該ループの軸が前記シンクに向かって方向付けられるように回転される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エネルギー中継器はループを含み、該ループは、該ループの軸が前記シンクの軸に直交するように回転される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記エネルギー中継器は第１のエネルギー中継器であり、前記システムは、
前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように配置される第２のエネルギー中継器であって、前記第１のエネルギー中継器は該第２のエネルギー中継器に強力に結合されない、第２のエネルギー中継器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
受動エネルギー中継器および能動エネルギー中継器のネットワークをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
近接場の結合を介してエネルギーを無線で伝達するための方法であって、
ソースを提供するステップであって、該ソースは、該ソースの前記近接場とシンクの前記近接場との結合を介して該シンクに前記エネルギーを無線で伝達するように構成され、該ソースおよび該シンクは、前記エネルギーの受信に応答して電磁（ＥＭ）近接場を生成するように構成される、ＥＭおよび非放射構造である、ソースを提供するステップと、
エネルギー中継器を提供するステップであって、該エネルギー中継器は、前記シンクが所定のロケーションに配置されるとき、前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように構成される、エネルギー中継器を提供するステップと、
前記エネルギーを無線で伝達するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記エネルギー中継器によって、前記ソースから前記エネルギーの少なくとも部分を受信するステップと、および
前記エネルギー中継器によって、前記エネルギーの少なくとも部分を前記シンクに伝達するステップと、
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
負屈折率材料（ＮＩＭ）を使用して前記結合を増大させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
エネルギーを無線で交換するように構成されるシステムであって、
構造であって、前記エネルギーを、エバネッセント波の結合を介して無線で交換するように構成され、該構造は電磁（ＥＭ）および非放射であり、該構造は前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、構造と、
コントローラであって、前記近接場が特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように前記構造の主周波数を調整するように構成される、コントローラと、
を備える、システム。
【請求項２１】
近接場の結合を介してエネルギーを無線で交換するための方法であって、
第１の構造を提供するステップであって、該第１の構造は、該第１の構造の近接場と第２の構造の近接場との結合を介して該第２の構造と前記エネルギーを無線で交換するように構成され、該第１の構造および該第２の構造は、電磁（ＥＭ）および非放射であり、該第１の構造および該第２の構造は、前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、第１の構造を提供するステップと、
前記第１の構造と前記第２の構造との間の配向を確定するステップと、
前記第１の構造の前記近接場が、前記配向に最適な特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように前記第１の構造の主周波数を調整するステップと、
前記エネルギーを無線で交換するステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
近接場の結合を介してエネルギーを無線で交換するためのシステムであって、
第１の構造であって、該第１の構造の近接場と第２の構造の近接場との結合を介して該第２の構造と前記エネルギーを無線で交換するように構成され、該第１の構造および該第２の構造は、電磁（ＥＭ）および非放射であり、該第１の構造および該第２の構造は、前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、第１の構造と、
前記第１の構造と前記第２の構造との間の配向を確定する手段と、
前記第１の構造の前記近接場が、前記配向に最適な特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように前記第１の構造の主周波数を調整する手段と、
を備える、システム。
【請求項１】
エネルギーを無線で伝達するように構成されるシステムであって、
前記エネルギーを、エバネッセント波の結合を介してシンクに無線で伝達するように構成されるソースであって、前記エネルギーの受信に応答して、電磁（ＥＭ）近接場を生成する、ソースと、
前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように配置されるエネルギー中継器であって、前記ソース、前記シンク、および前記エネルギー中継器は電磁および非放射構造である、エネルギー中継器と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記エネルギー伝達中の前記シンクのロケーションは所定であり、前記エネルギー中継器は、前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように配置され、一方、前記シンクは前記所定のローケーションに配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記エネルギーを前記ソースに供給するように構成されるドライバをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記結合を強化するように前記ＥＭ近接場内に配置される負屈折率材料（ＮＩＭ）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ソースおよび前記エネルギー中継器は共振構造である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＮＩＭは、前記シンクの前記所定のロケーションに基づいて配置される、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＮＩＭは、前記ソースを取り囲むように配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記エネルギー中継器は、偶バタフライパターン、奇バタフライパターン、偶交差パターン、および奇交差パターンから成るパターン群から選択されるエネルギー分散パターンに基づいて配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記エネルギー分散パターンは、前記ソース、前記エネルギー中継器、および前記シンク間の距離および／または配向に基づいて確定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＮＩＭは負誘電率特性および負透磁率特性を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記エネルギー中継器は、前記ソースから前記エバネッセント波を受信すると共に、該エバネッセント波の少なくともいくつかを前記シンクにリダイレクトするように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エネルギー中継器は、前記ソースから前記エネルギーを受信すると共に、該エネルギーを増幅すると共に、該エネルギーを前記シンクに伝送するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エネルギー中継器はループを含み、該ループは、該ループの軸が前記シンクに向かって方向付けられるように回転される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エネルギー中継器はループを含み、該ループは、該ループの軸が前記シンクの軸に直交するように回転される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記エネルギー中継器は第１のエネルギー中継器であり、前記システムは、
前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように配置される第２のエネルギー中継器であって、前記第１のエネルギー中継器は該第２のエネルギー中継器に強力に結合されない、第２のエネルギー中継器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
受動エネルギー中継器および能動エネルギー中継器のネットワークをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
近接場の結合を介してエネルギーを無線で伝達するための方法であって、
ソースを提供するステップであって、該ソースは、該ソースの前記近接場とシンクの前記近接場との結合を介して該シンクに前記エネルギーを無線で伝達するように構成され、該ソースおよび該シンクは、前記エネルギーの受信に応答して電磁（ＥＭ）近接場を生成するように構成される、ＥＭおよび非放射構造である、ソースを提供するステップと、
エネルギー中継器を提供するステップであって、該エネルギー中継器は、前記シンクが所定のロケーションに配置されるとき、前記ソースと前記シンクとの間の前記結合を増大させるように構成される、エネルギー中継器を提供するステップと、
前記エネルギーを無線で伝達するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記エネルギー中継器によって、前記ソースから前記エネルギーの少なくとも部分を受信するステップと、および
前記エネルギー中継器によって、前記エネルギーの少なくとも部分を前記シンクに伝達するステップと、
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
負屈折率材料（ＮＩＭ）を使用して前記結合を増大させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
エネルギーを無線で交換するように構成されるシステムであって、
構造であって、前記エネルギーを、エバネッセント波の結合を介して無線で交換するように構成され、該構造は電磁（ＥＭ）および非放射であり、該構造は前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、構造と、
コントローラであって、前記近接場が特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように前記構造の主周波数を調整するように構成される、コントローラと、
を備える、システム。
【請求項２１】
近接場の結合を介してエネルギーを無線で交換するための方法であって、
第１の構造を提供するステップであって、該第１の構造は、該第１の構造の近接場と第２の構造の近接場との結合を介して該第２の構造と前記エネルギーを無線で交換するように構成され、該第１の構造および該第２の構造は、電磁（ＥＭ）および非放射であり、該第１の構造および該第２の構造は、前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、第１の構造を提供するステップと、
前記第１の構造と前記第２の構造との間の配向を確定するステップと、
前記第１の構造の前記近接場が、前記配向に最適な特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように前記第１の構造の主周波数を調整するステップと、
前記エネルギーを無線で交換するステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
近接場の結合を介してエネルギーを無線で交換するためのシステムであって、
第１の構造であって、該第１の構造の近接場と第２の構造の近接場との結合を介して該第２の構造と前記エネルギーを無線で交換するように構成され、該第１の構造および該第２の構造は、電磁（ＥＭ）および非放射であり、該第１の構造および該第２の構造は、前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、第１の構造と、
前記第１の構造と前記第２の構造との間の配向を確定する手段と、
前記第１の構造の前記近接場が、前記配向に最適な特定のエネルギー分散パターンにしたがって生成されるように前記第１の構造の主周波数を調整する手段と、
を備える、システム。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【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２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１４２８０５（Ｐ２０１１−１４２８０５Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−２８５９５８（Ｐ２０１０−２８５９５８）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（５９７０６７５７４）ミツビシ・エレクトリック・リサーチ・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド (484)
【住所又は居所原語表記】２０１ ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ０２１３９， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８５９５８（Ｐ２０１０−２８５９５８）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（５９７０６７５７４）ミツビシ・エレクトリック・リサーチ・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド (484)
【住所又は居所原語表記】２０１ ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ０２１３９， Ｕ．Ｓ．Ａ．
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