(57)【要約】【課題】本発明の実施の形態は、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を開示する。【解決手段】このシステムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーを無線で交換するように構成される構造体であって、この構造体は、電磁的（ＥＭ）であると共に非放射であり、この構造体は、エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、構造体と、結合が強化されるようにＥＭ近接場内に配置されるメタマテリアルとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
エバネッセント波の結合を介して前記エネルギーを無線で交換するように構成される構造体であって、前記構造体は、電磁的（ＥＭ）であると共に非放射であり、前記構造体は、前記エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、構造体と、
前記エバネッセント波の振幅が増大されるように前記ＥＭ近接場内に配置されるメタマテリアルと、
を備える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。
【請求項２】
前記構造体は、前記エネルギーをシンクに伝達するように構成されるソースであり、
前記システムは、
前記エネルギーを前記構造体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。
【請求項３】
前記構造体は、前記エネルギーをソースから無線で受信するように構成されるシンクであり、
前記システムは、
前記エネルギーを前記構造体から受信するように構成される負荷をさらに備える、
請求項１に記載の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。
【請求項４】
前記構造体の寸法は、前記エバネッセント波の波長よりも小さい、請求項１に記載の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。
【請求項５】
前記構造体は、共振構造体である、請求項１に記載の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。
【請求項６】
前記メタマテリアルは、前記エネルギー伝達の所望の方向に基づいて最適に配置される、請求項１に記載の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。
【請求項７】
前記メタマテリアルは、たとえば前記構造体を取り囲むように配置される、請求項１に記載の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。
【請求項８】
前記エバネッセント波が、前記結合中、複数のメタマテリアルにおける各メタマテリアルを通じて進むように、前記複数のメタマテリアルが前記エバネッセント波の経路上に配置される、請求項１に記載の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。
【請求項９】
前記メタマテリアルは、負誘電率特性及び正透磁率特性を有する、請求項１に記載の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。
【請求項１０】
前記メタマテリアルは、正誘電率特性及び負透磁率特性を有する、請求項１に記載の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。
【請求項１１】
エバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法であって、
前記結合が強化されるように、メタマテリアルを使用して前記エバネッセント波の振幅を増大させるステップ
を含むエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
【請求項１２】
共振周波数ω１、固有損失率Γ１、及び第１のＱ値Ｑ１＝ω１／（２Γ１）を有する第１のモードを有する第１の共振器構造体を提供するステップであって、前記第１の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ１＞１００を有するように設計される、第１の共振器構造体を提供するステップと、
前記第１の共振器構造体から遠位に位置決めされ、前記第１の共振器構造体に電気的に配線されていない第２の共振器構造体を提供するステップであって、前記第２の共振器構造体は、共振周波数ω２、固有損失率Γ２、及び第２のＱ値Ｑ２＝ω２／（２Γ２）を有する第２のモードを有し、前記第２の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ２＞１００を有するように設計される、第２の共振器構造体を提供するステップと、
前記メタマテリアルを前記第１の共振器構造体と前記第２の共振器構造体との間に配置するステップと、
前記第１の共振器構造体から前記メタマテリアルを通じて前記第２の共振器構造体に、距離Ｄにわたって前記電磁エネルギーを伝達するステップであって、前記距離Ｄは、共振周波数ω１及びω２にそれぞれ対応する共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さい、伝達するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
【請求項１３】
前記メタマテリアルは、正誘電率特性及び負透磁率特性を有する、請求項１１に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
【請求項１４】
前記メタマテリアルは、負誘電率特性及び正透磁率特性を有する、請求項１１に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
【請求項１５】
前記メタマテリアルは、負誘電率特性及び負透磁率特性を有する、請求項１１に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
【請求項１６】
前記構造体の寸法は、前記エバネッセント波の波長よりも小さい、請求項１１に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
【請求項１７】
電磁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、
共振周波数ω１、固有損失率Γ１、及び第１のＱ値Ｑ１＝ω１／（２Γ１）を有する第１のモードを有する第１の共振器構造体であって、前記第１の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ１＞１００を有するように設計される、第１の共振器構造体と、
前記第１の共振器構造体から遠位に位置決めされ、前記第１の共振器構造体に電気的に配線されていない第２の共振器構造体であって、前記第２の共振器構造体は、共振周波数ω２、固有損失率Γ２、及び第２のＱ値Ｑ２＝ω２／（２Γ２）を有する第２のモードを有し、前記第２の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ２＞１００を有するように設計される、第２の共振器構造体と、
前記第１の共振器構造体と前記第２の共振器構造体との間に配置されるメタマテリアルであって、前記第１の共振器構造体は、前記メタマテリアルを通じて前記第２の共振器構造体に、距離Ｄにわたって前記電磁エネルギーを伝達し、距離Ｄは、共振周波数ω１及びω２にそれぞれ対応する共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さい、メタマテリアルと、
を備える電磁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。
【請求項１８】
前記第１の共振器構造体は、エバネッセント波の結合を介して前記電磁エネルギーを伝達し、前記構造体の寸法は、前記共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さく、前記メタマテリアルは、単一負性（ＳＮＧ）メタマテリアルである、請求項１７に記載の電磁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。
【請求項１９】
前記結合は、電気ドミナント結合であり、前記ＳＮＧメタマテリアルは、ε負性（ＥＮＧ）メタマテリアルであり、εは、前記メタマテリアルの誘電率特性である、請求項１８に記載の電磁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。
【請求項２０】
前記結合は、磁気ドミナント結合であり、前記ＳＮＧメタマテリアルは、μ負性（ＭＮＧ）メタマテリアルであり、μは、前記メタマテリアルの透磁率特性である、請求項１８に記載の電磁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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【０００２】
本出願は、２００９年１２月３日付けでクーン・フー・テオ（Ｋｏｏｎ  Ｈｏｏ  Ｔｅｏ）他によって出願された、出願番号１２／６３０，４９８「負屈折率材料を用いた無線エネルギー伝達（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｉｎｄｅｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）」の一部継続出願であり、この特許出願からの優先権を主張し、この特許出願は、参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
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又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。変圧器のような結合インダクタにおいて、ソース、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、この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その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。
【０００４】
共振結合システム
共振結合において、２つの共振電磁物体、すなわちソース及びシンクが、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。
【０００５】
図１２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システム１００を示している。システム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、又は共振システムのためのソース及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、各サイクル中に失ったエネルギーよりも多くのエネルギーを吸収する場合、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及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保証される。共振結合システムの例が、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号及び同第２００７／０２２２５４２号に開示されている。
【０００６】
エネルギーは、複数の共振物体間、たとえばサイズＬ１を有する共振ソースと、サイズＬ２を有する共振シンクとの間で、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、たとえば共振システムの電磁場又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。
【０００７】
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、共振結合システムの共振周波数は、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システムにおいて、結合効果に起因して、偶モード周波数及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体によって形成される２つの物体の共振システムの結合係数は、次式（１）に従って、偶モード及び奇モードを分割することによって計算される。
【０００８】
κ＝π｜ｆｅｖｅｎ−ｆｏｄｄ｜                  （１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２２２５４２号明細書
【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。
【００１１】
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】
【００１２】
本発明の実施の形態は、ソースとシンクとの間のエバネッセント波結合の経路に沿って１つ又は複数のメタマテリアルを配置することによって、エバネッセント波結合が強化されるという認識に基づいている。
【００１３】
本発明の実施の形態は、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を開示する。このシステムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーを無線で交換するように構成される構造体であって、この構造体は、電磁的（ＥＭ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）であると共に非放射であり、この構造体は、エネルギーの受信に応答してＥＭ近接場を生成する、構造体と、結合が強化されるようにＥＭ近接場内に配置されるメタマテリアルとを備える。
【００１４】
別の実施の形態は、エバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法であって、結合が強化されるように、メタマテリアルを使用してエバネッセント波の振幅を増大させるステップと、共振周波数ω１、固有損失率Γ１、及び第１のＱ値Ｑ１＝ω１／（２Γ１）を有する第１のモードを有する第１の共振器構造体を提供するステップであって、この第１の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ１＞１００を有するように設計される、第１の共振器構造体を提供するステップと、第１の共振器構造体から遠位に位置決めされ、この第１の共振器構造体に電気的に配線されていない第２の共振器構造体を提供するステップであって、この第２の共振器構造体は、共振周波数ω２、固有損失率Γ２、及び第２のＱ値Ｑ２＝ω２／（２Γ２）を有する第２のモードを有し、この第２の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ２＞１００を有するように設計される、第２の共振器構造体を提供するステップと、メタマテリアルを第１の共振器構造体と第２の共振器構造体との間に配置するステップと、第１の共振器構造体からメタマテリアルを通じて第２の共振器構造体に、距離Ｄにわたって電磁エネルギーを伝達するステップであって、距離Ｄは、共振周波数ω１及びω２にそれぞれ対応する共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さい、伝達するステップとを含む方法を開示する。
【００１５】
さらに別の実施の形態は、電磁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、共振周波数ω１、固有損失率Γ１、及び第１のＱ値Ｑ１＝ω１／（２Γ１）を有する第１のモードを有する第１の共振器構造体であって、この第１の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ１＞１００を有するように設計される、第１の共振器構造体と、第１の共振器構造体から遠位に位置決めされ、この第１の共振器構造体に電気的に配線されていない第２の共振器構造体であって、この第２の共振器構造体は、共振周波数ω２、固有損失率Γ２、及び第２のＱ値Ｑ２＝ω２／（２Γ２）を有する第２のモードを有し、この第２の共振器構造体は、電磁的であり、Ｑ２＞１００を有するように設計される、第２の共振器構造体と、第１の共振器構造体と第２の共振器構造体との間に配置されるメタマテリアルであって、第１の共振器構造体は、このメタマテリアルを通じて第２の共振器構造体に、距離Ｄにわたって電磁エネルギーを伝達し、距離Ｄは、共振周波数ω１及びω２にそれぞれ対応する共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さい、メタマテリアルとを備えるシステムを開示する。
【発明の効果】
【００１６】
これにより、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できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】エネルギーを無線で伝達又は受信するのに適したシステムの例を示す図である。
【図２Ａ】本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。
【図２Ｂ】ＮＩＭを用いない場合のエバネッセント波結合を示す図である。
【図２Ｃ】ＮＩＭを用いる場合のエバネッセント波結合を示す図である。
【図３】本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。
【図４】本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。
【図６】動いている装置に無線でエネルギーを供給するためのシステムの一例を示す図である。
【図７】約８ＭＨｚで共振する容量装荷型ループ共振システム８００におけるＮＩＭの適用例を示す図である。
【図８】エネルギー伝達の効率を、ＮＩＭを用いる場合の周波数及びＮＩＭを用いない場合の周波数の関数として比較するグラフである。
【図９】エネルギー伝達の効率を、ＮＩＭを用いる場合の周波数及びＮＩＭを用いない場合の周波数の関数として比較する表である。
【図１０】エネルギーを無線で伝達又は受信するのに適したシステムの例を示す図である。
【図１１】エネルギー伝達の効率を、メタマテリアルを用いる場合の周波数及びＮＩＭを用いない場合の周波数の関数として比較するグラフである。
【図１２】従来の共振結合システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態は、エネルギーが無線で伝達されている間、エバネッセント波の経路上の電磁（ＥＭ）近接場に配置されるメタマテリアル、たとえば、負屈折率材料（ＮＩＭ：ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｍａｔｅｒｉａｌ）及び／又は単一負性（ＳＮＧ：ｓｉｇｎａｌ−ｎｅｇａｔｉｖｅ）メタマテリアルが、エバネッセント波の振幅を増大させ、このため、エネルギー伝達の効率を最適にするという認識に基づいている。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態によるシステム２００を示している。このシステムは、エネルギーを無線で交換する、たとえば送信又は受信するように構成され、電磁（ＥＭ）非放射構造体２１０を備える。この構造体２１０は、エネルギーがこの構造体によって受信されると電磁近接場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寸法２１１、たとえば直径を有する。
【００２０】
エネルギーのほとんどは、反応性であり、送信機又は共振器内に閉じ込められ、このエネルギーのわずかな部分のみが遠距離場へ放射することができる（通常１０パーセント未満）。
【００２１】
この実施の形態では、エネルギー２６０は、従来技術において既知のドライバ（図示せず）によって供給される。この実施の形態では、構造体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。その実施の形態では、構造体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。
【００２２】
システム２００は、近接場２２０内に配置されるメタマテリアル２３０をさらに備える。メタマテリアルは、負誘電率及び／又は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、表面プラズモンのような挙動、及び負の屈折が知られている。本発明の実施の形態は、メタマテリアルの特異な能力を理解及び利用してエバネッセント波を増幅したものである。これによって無線エネルギー伝達が最適化される。
【００２３】
エネルギー２６０が構造体２１０によって受信されると、ＥＭ構造体の周りの実質的に全ての方向にＲＭ近接場が生成される。近接場は、遠距離場と対称をなす。構造体が非放射であるため、エネルギーのほとんどが近接場内に閉じ込められ、エネルギーの１０％未満の小さな部分のみが遠距離場に放射される。
【００２４】
近接場内で、この近接場の形状及び寸法は、外部エネルギー２６０の周波数、及びＥＭ構造体２１０の共振周波数に依拠する。ＥＭ構造体２１０の共振周波数は、部分的に、ＥＭ構造体、たとえば円形形状、螺旋形状、円筒形状によって、並びに導電率、比誘電率、及び比透磁率のようなＥＭ構造体の材料のパラメーターによって決まる。この実施の形態では、放射に起因するエネルギーの損失を最小にするために、構造体のサイズは、システムの主波長の長さよりもはるかに小さく、たとえばこの長さよりも１００倍小さい。
【００２５】
通常、近接場の範囲２７０は、システムの主波長の長さの数分の１、たとえばこの長さの１／４又は１／１０である。非共振システムでは、主波長は、外部エネルギー２６０の周波数、すなわち波長λ２６５によって決まる。共振システムでは、主波長は、ＥＭ構造体の共振周波数によって決まる。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決まる。
【００２６】
共振は、品質係数（Ｑ値）、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又は受信することであるため、ドライバの周波数又は共振周波数は、たとえば近接場領域の寸法を増大するように選択される。いくつかの実施の形態では、エネルギー２６０の周波数及び／又は共振周波数は、ＭＨｚからＧＨｚの域にある。他の実施の形態では、上述の周波数は、光領域にある。
【００２７】
エバネッセント波
エバネッセント波は、この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２５０は、構造体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構造体によって受信されるときに形成され、ＥＭ構造体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。
【００２８】
以下で説明する実施の形態に加えて、システム２００の多数の異なる構成が可能であることを理解されたい。たとえば、この実施の形態では、システム２００は、エネルギーをソースから無線で受信するように構成されるシンクである。別の実施の形態では、システム２００は、エネルギーをシンクに無線で送信するように構成されるソースである。さらに別の実施の形態では、システム２００は、複数のシンクに同時にエネルギーを伝達するように構成されるソースである。
【００２９】
いくつかの実施の形態では、システム２００の動作中に、構造体２１０は、ソース又はシンクのいずれであるかに関わらず、エバネッセント波を放出するのと同時にエバネッセント波２５１を受信する。メタマテリアル２３０は、少なくとも１つのエバネッセント波２５０又は２５１の経路上に配置される。伝達されるエネルギー又は受信されるエネルギーの所望の方向が知られている場合、メタマテリアル、たとえばメタマテリアル２３０又はＮＩＭ２３１は、エネルギー交換の所望の方向に基づいて最適に配置される。
【００３０】
他の実施の形態では、複数のメタマテリアルがエバネッセント波の経路上に、この波の振幅を最大にするように最適に配置される。
【００３１】
図２Ａは、本発明の別の実施の形態によるシステム３００を示している。システム３００は、共振結合システムであり、ソース３１０の近接場内でエバネッセント波３３０の経路上に配置される少なくとも１つのメタマテリアル２３０を含む。エネルギー２６０は、ドライバ１４０によってシステム３００に提供され、ソース３１０によってエバネッセント波３３０を介してシンク３２０に無線で送信され、負荷１５０によって消費される。この実施の形態では、負荷は、プロセッサを含む。
【００３２】
システム３００の変形形態では、メタマテリアル２３０は、シンク３２０よりもソースの近くに配置される。別の変形形態では、メタマテリアル２３１は、ソースよりもシンクの近くに配置される。さらに別の変形形態では、複数のメタマテリアル２３０及び２３１がエバネッセント波３３０の経路上に配置され、それによって、エバネッセント波は、結合中、複数のメタマテリアル内の各メタマテリアルを通じて進む。通例、メタマテリアルは、無線エネルギー伝達の間、ソースとシンクとの間のエバネッセント波結合を最適にするように配置される。この実施の形態では、メタマテリアルは、このメタマテリアルと構造体との間の距離がこのメタマテリアルの寸法に比例するように配置される。典型的には、メタマテリアルの寸法が小さいほど、このメタマテリアルは、ＥＭ構造体の近くに配置される。
【００３３】
システム３００の変形形態は、ジョアノプロス（Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ）他によって２００６年７月５日に出願され、２０１０年２月３日に許可された、米国特許出願第２００７／０２２２５４２号に記載されているシステムを改善したものである。この実施の形態の電磁エネルギー伝達システムは、共振周波数ω１、損失率Γ１、及び第１のＱ値Ｑ１＝ω１／（２Γ１）を有する第１のモードを有する第１の共振器構造体３１０と、第１の共振器構造体から遠位に位置決めされ、第１の共振器構造体に電気的に配線されていない第２の共振器構造体３２０とを備える。第２の共振器構造体は、共振周波数ω２、固有損失率Γ２、及び第２のＱ値Ｑ２＝ω２／（２Γ２）を有する第２のモードを有する。
【００３４】
第１の共振器構造体は、共振周波数ω１及びω２にそれぞれ対応する共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さい距離Ｄにわたって電磁エネルギーを第２の共振器構造体に伝達する。さらに、共振器構造体は、１００よりも大きい第１のＱ値及び第２のＱ値の値、すなわちＱ１＞１００及びＱ２＞１００を有するように設計される。
【００３５】
ジョアノプロスによって記載されているシステムに勝るこの実施の形態の主な改善点のうちの１つは、第１の共振器構造体が、メタマテリアルを通じて第２の共振器構造体に、距離Ｄにわたって電磁エネルギーを伝達するような、第１の共振器構造体と第２の共振器構造体との間のメタマテリアル２３０の配置である。ここで、距離Ｄは、共振周波数ω１及びω２にそれぞれ対応する共振波長λ１及びλ２のそれぞれよりも小さい。
【００３６】
この実施の形態の異なる変形形態では、Ｑ値の値は、２００より大きいか、５００より大きいか、又は１０００より大きい。付加的に又は代替的に、２つの周波数ω１及びω２は、Γ１及びΓ２のより小さい方の範囲内に近接している。付加的に又は代替的に、メタマテリアルの異なる数、タイプ、及び／又は配置が使用される。
【００３７】
エバネッセント波結合
エバネッセント波結合は、電磁波がエバネッセントの、指数関数的に減衰する電磁場によって１つの媒体から別の媒体に送信されるプロセスである。
【００３８】
結合は、通常、２つ以上の電磁素子、すなわちソース及びシンクを、このソースによって生成されるエバネッセント波がシンクに到達する前にあまり減衰しないように、互いに或る距離Ｄで置くことによって達成される。シンクが適切な周波数のモードをサポートする場合、エバネッセント場によって波モードの伝播が生じ、それによって波が１つの導波路から次の導波路へつながる（すなわち結合される）。
【００３９】
エバネッセント波結合は、電磁場理論における近接場結合と基本的に同一である。放射源素子のインピーダンスに依拠して、エバネッセント波は、主に電気（容量性）であるか又は主に磁気（誘導性）であるかのいずれかであり、これらの波の成分が最終的に自由空間のインピーダンスの比に達し、波が放射的に伝播する遠距離場とは異なる。エバネッセント波結合は、各媒体の近くの非放射場内で発生するため、部分的に反射する表面内の物質（ｍａｔｔｅｒ）、すなわち誘導電流及び電荷と常に関連付けられる。
【００４０】
図２Ｂは、ＮＩＭを用いない場合のエバネッセント波結合を示し、図２Ｃは、ＮＩＭを用いる場合のエバネッセント波結合を示している。エネルギーがソースに供給されると、近接場が生成される。放射損失及び誘電損失は、エネルギーの部分を消費するが、放射が強力でない場合、エネルギーのほとんどは、ソースに反射されて戻る。しかしながら、シンクがソースの十分近くに配置される場合、すなわちソースから距離Ｄ離れて配置される場合、エバネッセント波３３１及び／又は３３０は、ソースとシンクとの間で結合され、それによってエネルギーがソースからシンクに伝達される。図２Ｂに示すように、ＮＩＭを用いない場合、エネルギーは、ソース及びシンクのエバネッセント波の結合を通じて伝達される。
【００４１】
しかしながら、ソース及びシンクの結合中、メタマテリアルがソース及び／又はシンクによって生成された近接場内に配置される場合、図２Ｃに示すように、エバネッセント波の振幅は、波がメタマテリアルを通じて進むときに増大される（３７０）。このため、エバネッセント波結合が強化されると共にエネルギーがより効率的に伝達され、かつ／又はソースとシンクとの間の距離Ｄが増大する。
【００４２】
図３は、本発明の別の実施の形態によるシステム４００を示している。システム４００は、非共振システムである。非共振システムは、共振システムとは対照的に、ソース４１０及びシンク４２０が異なる共振周波数を有するように設計される。たとえば、システム４００の変形形態では、ソース及びシンクの双方が異なる共振周波数を有する共振構造体である。別の変形形態では、シンク４２０は、非共振構造体、たとえば負荷４５０である。別の変形形態では、ソース４１０は、非共振構造体、たとえばドライバ４４０である。
【００４３】
図４は、本発明のさらに別の実施の形態によるシステム５００を示している。この実施の形態では、ＥＭ構造体の材料自体がメタマテリアルを含む。たとえば、この実施の形態の変形形態では、ソース５１０は、メタマテリアルから作製される。他の変形形態では、シンク５２０並びに／又はシンク及びソースの双方がメタマテリアルから作製される。異なる変形形態では、ソース及びシンクは、同じメタマテリアル又は異なるメタマテリアルから作製される。この実施の形態のさらに別の変形形態では、ＥＭ構造体に含まれるメタマテリアルに加えて、第２のメタマテリアル２３１がエバネッセント波５３０の経路上に位置決めされる。
【００４４】
図５は、本発明のさらに別の実施の形態によるシステム６００を示している。この実施の形態では、メタマテリアル６４０は、実質的にＥＭ構造体６１０を取り囲む。たとえば、この実施の形態の変形形態では、ソース６１０は、円筒形状を有し、メタマテリアルは、直径がわずかに大きい同様の円筒形状を有する。他の変形形態では、シンク６２０並びに／又はシンク及びソースの双方がメタマテリアルに取り囲まれる。この実施の形態の別の変形形態では、メタマテリアル６４０に加えて、第２のメタマテリアル２３１がエバネッセント波６３０の経路上に位置決めされる。この実施の形態は、多方向のエネルギーが交換される用途、又は方向が事前に知られていない用途において特に有利である。
【００４５】
図９の表は、異なる無線エネルギー伝達システムに関して計算される結合係数を示している。結合係数は、２つのＥＭ構造体間の結合の強度の基準であり、これらのＥＭ構造体間でエネルギー伝達が発生する率を定量化する。図５に基づいて、本発明の実施の形態によって結合係数が増大し、このためシステムの効率が増大することは、明らかである。たとえば、メタマテリアルの単一のブロックによって、１つのシステム内の結合係数が３．８８ｅ４から７．６０ｅ４に増大する。メタマテリアルの２つのブロックによって、結合係数が１４．８ｅ４にさらに増大する。
【００４６】
本発明の実施の形態を、無線エネルギー伝達を必要とするさまざまな用途、システム、及び装置、たとえば自動車、移動通信機、ラップトップ、オーディオ／ビデオ装置において使用することができる。
【００４７】
図６は、エネルギーを、エレベーターカー及び電気車両のような移動装置にエネルギーを無線で供給するためのシステム７００を示している。この実施の形態では、ケーブルを有しないエレベーターカー７５０、すなわち負荷が、導波路７６０からエネルギーを無線で受信するように構成されるアンテナ７２０、すなわちシンクに接続される。導波路は、昇降路に設置され、ドライバ７１０からエネルギーを受信する。ドライバは、電力網に接続され、エネルギーを導波路に、たとえば誘導的に供給することができる。導波路は、電磁エバネッセント波を生成するように構成される。たとえば、この実施の形態では、導波路は、導線を介して実装される。別の実施の形態では、導波路の一方の側は、エバネッセント波が導波路の表面を出ることを可能にする穿孔又はスロット７８０を有する。
【００４８】
メタマテリアル７３０は、シンクと導波路の間に配置され、たとえばアンテナ７２０に固定され、アンテナが移動されると、それに応じてメタマテリアルは移動される。メタマテリアルは、導波路のエネルギー伝達エリア７６５から放出されるエバネッセント波がメタマテリアルを通じてアンテナに到達するように位置決めされる。乗りかごが牽引機構７６０によって移動されると、それに従ってエネルギー伝達エリアが調整される。
【００４９】
アンテナ７２０及びメタマテリアル７３０は、システム２００を形成する。エレベーター用乗りかご、電気自動車、及び携帯電話のような少なくとも１自由度を有する装置に接続される場合、システム２００は、それらの装置が無線であるが効率的にエネルギーを受信することを可能にする。
【００５０】
負屈折率材料（ＮＩＭ）
本発明のいくつかの実施の形態は、メタマテリアルとしてＮＩＭを使用する。ＮＩＭは、負誘電率特性ε及び負透磁率特性μを有する人工材料である。ソースとシンクとの間のエバネッセント波は、エネルギー伝達を最適化したＮＩＭを通じて伝播する間、増幅される。
【００５１】
いくつかの実施の形態では、システムにおいて使用されるＮＩＭは、ε＝−１、μ＝−１の電磁特性を有する。エバネッセント波がＮＩＭを通じて伝播するとき、ＮＩＭのインピーダンスは、自由空間インピーダンスと整合され、ＮＩＭと自由空間との界面において反射が発生せず（これは、電力送信には不可欠である）、エバネッセント波がＮＩＭを通じて増幅される。
【００５２】
他の実施の形態では、ＮＩＭは、負値の誘電率特性ε及び負値の透磁率特性μを有するが、厳密に−１ではない。これらの実施の形態では、エネルギー及びＥＭ場強度を蓄える間、ＮＩＭと、空気、ガス、又は真空のような他の媒体との間の界面に表面プラズモンが励起される。ＮＩＭは、通常、部分的に誘電損失、そして部分的に分散損失による材料損失を伴う。材料損失は、ＮＩＭを通じた伝播中、エバネッセント波増幅を減少させる。しかしながら、表面波は励起され、エネルギーは、ＮＩＭと他の媒体との界面において蓄えられる。この特性は、エバネッセント波伝播を延ばし、ソースとシンクとの間のエネルギー結合を最適化する。
【００５３】
ＮＩＭを設計する多数の異なる方法が存在する。たとえば、金属線構造体を有する分割リング共振器（ＳＰＲ：ｓｐｌｉｔ  ｒｉｎｇ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）は、ＮＩＭの人工材料設計の一例である。ＳＰＲ及び誘導性・容量性（ＬＣ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ−ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ））共振器は、ＮＩＭ設計の別の例である。本発明の実施の形態は、エバネッセント波強化の目的を満たす任意のタイプのＮＩＭを使用する。この実施の形態では、システムは、共振システムであり、ＮＩＭは、システムの共振周波数において、−１に等しい屈折率を有する。
【００５４】
図７は、約８ＭＨｚで共振する容量装荷型ループ共振システム８００におけるＮＩＭの適用例を示している。容量装荷型ループ８１０は、システム８００のソースとしての役割を果たす。容量装荷型ループは、３０ｃｍの半径８１５、及び２ｃｍの銅線断面半径８１７、及び誘電率特性ε＝１０の１３８ｃｍ２の容量誘電ディスクエリア８１９を有する。エネルギーは、エバネッセント波の形式でＬＣループの近距離に閉じ込められる。
【００５５】
５０オームの負荷を有する金属ループ構造体８２０がシステムのドライバである。同様に、２４０オームの負荷を有する金属ループ８３０がシステムの負荷である。ＮＩＭ８４０は、ソースの近接場において、ソースと負荷との間に配置される。ドライバ及び負荷の半径８２２は、２０ｃｍである。ドライバは、ソース８２４から２０ｃｍの距離に配置され、このソースと誘導結合される。
【００５６】
近接場におけるＮＩＭの配置は、特にドライバ及び負荷におけるインピーダンスを変更して最大電力伝達効率を達成する必要がある場合、ドライバ及び負荷の設計に依拠する。
【００５７】
最大結合強化を得るために、エネルギー伝達フィールドに対するＮＩＭの物理的な断面サイズ、厚さ、及び位置を、システムの要素、たとえばソース、シンク、ドライバ、及び負荷、並びにシステムが位置する環境の構成に従って最適化する必要がある。この実施の形態では、最適化は、コンピューターモデリングを通じて又は実験的に達成され、最大電力伝達を可能にする最良のインピーダンス整合が可能になる。
【００５８】
図８は、エネルギー伝達の効率を、ＮＩＭを用いる場合の周波数及びＮＩＭを用いない場合の周波数の関数として比較するグラフである。図示されるように、ＮＩＭを含むシステムの効率９２０は、ＮＩＭを用いない対応するシステムの効率９１０よりも３倍大きい。
【００５９】
厳密な電磁特性を有するＮＩＭ材料は、単一の周波数においてのみ発生する。これは、厳密な材料特性ε＝−１、μ＝−１が、ｆ＝８ＭＨｚのような１つの周波数においてのみ発生することを意味する。しかしながら、ＮＩＭは、共振周波数の約５〜１０％の帯域幅において負電磁特性を示す。ＮＩＭが１０ＭＨｚで動作するように設計されるシステムにでは、誘電率及び透磁率が負となる１０ＭＨｚの周りで約０．５ＭＨｚ〜１ＭＨｚの帯域幅が達成される。この帯域幅において、ＮＩＭの負のＥＭ特性周波数範囲が共振成分の共振周波数点をカバーする場合、結合及び電力伝達効率を強化するために、無線電力伝達システムにおいてＮＩＭが利用される。
【００６０】
単一負性（ＳＮＧ）メタマテリアル
本発明の幾つかの実施の形態は、メタマテリアルとして単一負性（ＳＮＧ）メタマテリアルを使用する。ＳＮＧメタマテリアルは、負誘電率のみを有する、すなわちε＜０、μ＞０であるか、又は負透磁率のみを有する、すなわちε＞０、μ＜０であるメタマテリアルである。より詳細には、ε＜０、μ＞０を有するメタマテリアルは、ε負性（ＥＮＧ）メタマテリアルであり、ε＞０、μ＜０を有するメタマテリアルは、μ負性（ＭＮＧ）メタマテリアルである。
【００６１】
この実施の形態の変形形態では、システム２００の寸法２１１は、波長２６５よりも小さく、それによって構造体のＥＭ遠距離場放射は無視され、電場及び磁場は、互いに独立している。電場及び磁場が独立していることによって、近接場の電気ドミナント又は磁気ドミナントを別個に使用することが可能になる。電気ドミナントを有する近接場の場合、負誘電率εのみを有するメタマテリアルがエバネッセント波を強化するのに使用される。磁気ドミナントを有する近接場の場合、負透磁率μのみを有するメタマテリアルがエバネッセント波を強化するのに使用される。
【００６２】
したがって、いくつかの実施の形態では、エバネッセント結合を強化するように構成されるＳＮＧ材料のタイプが、結合のタイプに基づいて選択される。たとえば、この実施の形態では、結合は、電気ドミナント結合であり、ＳＮＧメタマテリアルは、ＥＮＧメタマテリアルである。別の実施の形態では、結合は、磁気ドミナント結合であり、ＳＮＧメタマテリアルは、ＭＮＧメタマテリアルである。
【００６３】
メタマテリアルは、分散性であり、材料損失を有する。これは、無線エネルギー伝達中のエバネッセント波の強化に影響を与える。ＮＩＭは、通常、共振構造体の２つのセットを含む。一方は、負誘電率（ε＜０）を与えるためのものであり、他方は、負透磁率（μ＜０）を与えるためのものである。構造体の２つのセットは、メタマテリアルの損失及び分散に寄与する。また、それらの構造体は、ε＜０領域及びμ＜０領域が互いに同時発生し、負の屈折率を与えるように設計される必要があるため、ＮＩＭの設計は、比較的複雑である。
【００６４】
ＳＮＧメタマテリアルの場合、ε＜０特性又はμ＜０特性を達成するために人工構造体の１つのセットしか必要とされない。ＳＮＧメタマテリアルには、ＮＩＭに勝る重要な利点が存在する。第１に、ＳＮＧメタマテリアルの設計は、より単純である。第２に、ＳＮＧメタマテリアルの製造プロセスは、より単純である。第３に、ＳＮＧメタマテリアルに関連付けられる損失は、典型的に、ＮＩＭに関連付けられる損失よりも小さい。通常、ＳＮＧメタマテリアルを用いた無線エネルギー伝達システムの性能は、ＮＩＭを用いたシステムの性能よりも良好である。
【００６５】
図１０は、本発明の実施の形態による無線エネルギー伝達システム１１００の例を示している。ソース１１１０及びシンク１１２０は、銅線から作製された同一の自己共振コイルである。このコイルの半径は、３０ｃｍであり、銅線の半径は、５ｍｍである。各コイルは、そのような銅線を５．２５回巻いたものから構成され、２０ｃｍにわたって延びる。コイルの共振周波数は、約１０ＭＨｚである。２つのコイル間の距離は、２ｍである。
【００６６】
半径が２０ｃｍに等しい２つの金属ループは、ドライバ１１５０及び負荷１１６０である。２つの小さな金属ループの位置は、インピーダンス整合及び無線エネルギー伝達効率を最適化するように調整される。システムにおいて、２つのメタマテリアルスラブ１１３０及び１１４０が性能を改善するために使用される。メタマテリアルは、半径４０ｃｍ及び高さ４ｃｍの円筒形状である。様々なシステムの最適化された伝達効率がソフトウェアによって計算され、比較される。
【００６７】
図１１は、エネルギー伝達システムの効率を比較するグラフであり、すなわち、メタマテリアルを用いないシステムの場合の効率１２１０と、パラメーターε＝−１＋０．００１ｉ、μ＝−１＋０．００１ｉ（ＮＩＭ）のメタマテリアルを用いるシステムの場合の効率１２２０と、パラメーターε＝１、μ＝−１＋０．００１ｉ（ＭＮＧメタマテリアル）のメタマテリアルを用いるシステムの場合の効率１２３０とを比較する。
【００６８】
グラフによって示されているように、メタマテリアルを用いないシステムは、約３３％のピーク効率を有する。ＮＩＭを用いるシステムは、約４０％のより高いピーク効率を有する。ＭＮＧメタマテリアルを用いるシステムのピーク効率は、約５０％までさらに増大される。比較すると、ＮＩＭ及びＭＮＧメタマテリアルの双方がシステムの伝達効率を改善している。ＮＩＭは、誘電率及び透磁率の双方において損失を有するが、ＳＮＧメタマテリアルは、誘電率又は透磁率のみにおいて損失を有する。この利点を有するため、ＳＮＧメタマテリアルを用いる場合により高い効率が達成される。
【００６９】
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で様々な他の適応及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、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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