(57)【要約】  全方位無線エネルギー伝達のためのシステムが説明される。送信機ユニットは、電力を受信機ユニットに無線で伝送するために、電力供給源に結合されるように構成されるコイルを有する、伝送共振器を有する。受信機ユニットは、デバイス負荷に結合されるコイルを有する、受信共振器を有する。共振器の少なくとも１つは、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がる、非平面共振器である。【選択図】図７Ａ
2014534804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線エネルギー伝達のためのシステムであって、
電力を受信機ユニットに無線で伝送するために、電力供給源に結合されるように構成される第１のコイルを有する第１の共振器を備える、伝送機ユニットと、
デバイス負荷に結合される第２のコイルを有する第２の共振器を備える、受信機ユニットと、を備え、前記第１および第２の共振器のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がる、非平面共振器である、システム。
【請求項２】
前記非縮退２次元表面は、少なくとも２つの凹状部分を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記非縮退２次元表面は、双曲放物面または楕円放物面のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記非縮退２次元表面は、３次元ユークリッド空間の式によって定義され、前記式は、Ａｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ2＝ＤまたはＡｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ＝０のうちの１つであり、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、非ゼロ数である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
所与の分離距離での前記伝送機ユニットと前記受信機ユニットとの間の電力伝達は、前記第２の共振器に対する前記第１の共振器の配向に関係なく、その所与の分離距離での最大電力伝達の少なくとも２５％である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記伝送機ユニットは、２．５ｃｍ〜３５ｃｍの範囲である前記所与の分離距離で、５ワット〜２０ワットの範囲の電力を送達する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の共振周波数を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記コイルの少なくとも１つは、前記非縮退２次元表面に広がる、リッツ線コイルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記共振器の少なくとも１つは、前記非縮退２次元表面を有する磁気コアを含み、前記対応するコイルは、磁束を導くための前記磁気コアに巻き付けられる、リッツ線である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記共振器の少なくとも１つはさらに、前記対応するコイルに結合されるコンデンサを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記共振器の少なくとも１つは、前記システムの品質係数「Ｑ」を同調させ前記受信機ユニットでの電圧利得を最大にするために、同調可能抵抗器または抵抗素子のネットワークに結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２の共振器は、人体内の皮下に配置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】
前記デバイス負荷は、移植可能な医療デバイスの中の再充電可能な電力貯蔵デバイスである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記移植可能な医療デバイスは、補助人工心臓である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の共振器は、着用可能な衣類または着用可能なアクセサリの一部分である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の共振器は、静止物体に組み込まれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記共振器の少なくとも１つは、前記システムの前記共振周波数を同調させて前記受信機ユニットでの電圧利得を最大にするために、同調可能コンデンサまたは容量素子のネットワークに結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記受信機ユニットおよび前記伝送機ユニットはさらに、前記受信機ユニットと前記伝送機ユニットとの間に通信チャネルを確立して、前記伝送機ユニットの電力出力を変調させるために使用されるシステム情報を通信するために、それぞれの通信回路を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記伝送機ユニットはさらに、前記伝送機ユニットから前記受信機ユニットに向かって出力磁束を導くために、磁束集中器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
全方位無線エネルギー伝達のための方法であって、
電力供給源に結合される第１のコイルを含む、第１の共振器を提供することと、
前記第１の共振器からある分離距離で第２の共振器を配置することであって、前記第２の共振器は、電気負荷に結合される第２のコイルを含む、配置することと、を含み、前記第１および第２の共振器のうちの少なくとも１つは、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのそれぞれの配向に関係なく、該コイル間での無線エネルギー伝達を可能にするために、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がる、方法。
【請求項２１】
前記非縮退２次元表面は、少なくとも２つの凹状部分を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記非縮退２次元表面は、双曲放物面または楕円放物面のうちの１つである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記非縮退２次元表面は、３次元ユークリッド空間の式によって定義され、前記式は、Ａｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ2＝ＤまたはＡｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ＝０のうちの１つであり、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、非ゼロ数である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記分離距離での前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間の達成可能な電力伝達は、前記第２のコイルに対する前記第１のコイルの配向に関係なく、その分離距離での最大電力伝達の少なくとも２５％である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
５Ｗ〜２０Ｗの範囲の電力伝達は、２．５ｃｍ〜３５ｃｍの範囲である前記分離距離によって達成可能である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１および第２の共振器のうちの少なくとも１つはさらに、前記対応するコイルに結合される、同調可能コンデンサまたは容量素子のネットワークを備え、前記方法はさらに、
前記共振器の一方の第１の共振周波数を調整して、前記もう一方の共振器の第２の共振周波数にほぼ整合させるために、前記同調可能コンデンサまたは前記容量素子のネットワークを同調させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、それぞれが、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の共振周波数を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２のコイルは、人体内の皮下に配置するように構成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２のコイルは、移植可能な医療デバイスに結合される、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記移植可能な医療デバイスは、補助人工心臓である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記共振器の少なくとも１つは、同調可能抵抗器または抵抗素子のネットワークに結合され、前記方法はさらに、その共振器の品質係数「Ｑ」を変化させて前記第２の共振器での電圧利得を最大にするように、前記同調可能抵抗器または前記抵抗素子のネットワークを構成することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の共振器の電力出力を変調させるために使用される情報を通信するために、前記第１および第２の共振器の間に通信チャネルを確立することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
磁束集中器によって、前記第１の共振器から前記第２の共振器に向かって出力磁束を導くことをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
エネルギーを受信機ユニットに無線で伝達するために全方位無線エネルギー伝達システムで使用するための伝送機ユニットであって、
少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がるコイルを有する、非平面共振器と、
前記コイルに結合される電力回路であって、電流を前記コイルに送達するために電力供給源に電気的に接続されるように構成される、電力回路と、を備える、伝送機ユニット。
【請求項３５】
前記非縮退２次元表面は、少なくとも２つの凹状部分を有する、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項３６】
前記非縮退２次元表面は、双曲放物面または楕円放物面のうちの１つである、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項３７】
前記非縮退２次元表面は、３次元ユークリッド空間の式によって定義され、前記式は、Ａｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ2＝ＤまたはＡｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ＝０のうちの１つであり、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、非ゼロ数である、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項３８】
前記非平面共振器は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の共振周波数を有する、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項３９】
前記コイルは、前記非縮退２次元表面に広がる、リッツ線コイルである、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４０】
前記非平面共振器は、前記非縮退２次元表面を有する磁気コアを含み、前記コイルは、磁束を導くための前記磁気コアに巻き付けられる、リッツ線である、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４１】
前記非平面共振器の前記共振周波数を同調させるために、同調可能コンデンサまたは容量素子のネットワークをさらに備える、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４２】
前記伝送機ユニットは、着用可能な衣類または着用可能なアクセサリの一部分である、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４３】
前記伝送機ユニットは、静止物体に組み込まれる、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４４】
前記非平面共振器の品質係数「Ｑ」を同調させて前記受信機ユニットの電圧利得を最大にするために、前記非平面共振器に結合される同調可能抵抗器または抵抗素子のネットワークをさらに備える、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４５】
システム情報を前記受信機ユニットと通信して前記伝送機ユニットの電力出力を変調させるために前記電力回路に結合される、通信回路をさらに備える、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４６】
前記非平面共振器から前記受信機ユニットに向かって出力磁束を導くために、磁束集中器をさらに備える、請求項３４に記載の伝送機ユニット。
【請求項４７】
伝送機ユニットから伝達エネルギーを無線で受け取るために、全方位無線エネルギー伝達システムで使用するための受信機ユニットであって、
少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がるコイルを有する、非平面共振器と、
前記コイルに結合される、電気負荷と、を備える、受信機ユニット。
【請求項４８】
前記非縮退２次元表面は、少なくとも２つの凹状部分を有する、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項４９】
前記非縮退２次元表面は、双曲放物面または楕円放物面のうちの１つである、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５０】
前記非縮退２次元表面は、３次元ユークリッド空間の式によって定義され、前記式は、Ａｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ2＝ＤまたはＡｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ＝０のうちの１つであり、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、非ゼロ数である、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５１】
前記非平面共振器は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の共振周波数を有する、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５２】
前記コイルは、前記非縮退２次元表面に広がる、リッツ線コイルである、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５３】
前記非平面共振器は、前記非縮退２次元表面を有する磁気コアを含み、前記コイルは、磁束を導くための前記磁気コアに巻き付けられる、リッツ線である、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５４】
前記非平面共振器の前記共振周波数を同調させるために、同調可能コンデンサまたは容量素子のネットワークをさらに備える、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５５】
前記電気負荷は、移植可能な医療デバイスの中の再充電可能な電力貯蔵デバイスである、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５６】
前記移植可能な医療デバイスは、補助人工心臓である、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５７】
前記非平面共振器の品質係数「Ｑ」を同調させて前記受信機ユニットの電圧利得を最大にするために、前記非平面共振器に結合される同調可能抵抗器または抵抗素子のネットワークをさらに備える、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【請求項５８】
システム情報を前記伝送機ユニットと通信して前記伝送機ユニットの電力出力を変調させるために前記電気負荷に結合される、通信回路をさらに備える、請求項４７に記載の受信機ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無線エネルギー伝達に関し、より具体的には、体外の電力源から体内の移植された医療デバイスへのエネルギーの伝達に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線エネルギー伝送システムでは、エネルギーの伝達を容易にするために、平面幾何学形状を有する共振器が、電力の伝送機および受信機で使用されてきた。そのような平面共振器は、幾何学形状を有し、該幾何学形状は、平坦面に対して直角の軸上にいかなる寸法量も伴わないほぼ平坦な表面に広がる幾何学形状、または平坦面に沿った軸上の寸法が、平坦面に対して直角の軸上の寸法よりも数桁大きい幾何学形状を有する。伝送機ユニットと受信機ユニットとの間の電力の伝送は、平面共振器のそれぞれを誘導的または磁気的に結合することに依存する。平面伝送共振器が外部電力源によって駆動される電流を搬送するときには、全般的に、伝送共振器の平面に対して垂直の方向に磁束が発生する。平面受信共振器は、次いで、平面伝送共振器の近傍内に配置され、平面伝送共振器に対して平行に配向され、よって、平面受信共振器は、伝送共振器によって発生される磁束を効果的に捉えて、受信機ユニットにおいて電流を生成することができる。
【０００３】
平面共振器の使用は、密に結合された無線電力伝送システムが、ごく接近した２つの静止物体間でエネルギーを伝達するための有効な手法である。例えば、充電パッドアプリケーションにおいて、平面伝送共振器は、机上に配置される充電パッドに組み込まれる。携帯電話等の電子デバイスが、平面受信共振器を備え、充電パッドの上に配置されると、２つの平面共振器が共振器の平面に沿って互いに対して平行に配向される。この平行な配向では、充電パッドに組み込まれる平面伝送共振器から、電子デバイスの平面受信共振器までエネルギーを効果的に伝達して、電子デバイスに充電することができる。電子デバイスは、それ自体で移動すると思われないので、２つの平面共振器は、互いに対して平行に配向されたままであり、電子デバイスが充電パッドから取り外されるまで、電子デバイスを連続的に充電する。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、全方位無線エネルギー伝達のためのシステムに関する。システムは、２つの物体間でエネルギーが無線で伝達され、物体の少なくとも１つが自由に移動する場合の用途に特に有用であり得る。１つのそのような用途は、電力伝送機ユニットから、移植された医療デバイスの一部である受信機ユニットまでエネルギーが伝達されている場合である。そのような用途において、伝送機ユニットは、静止した状態であり得、例えば壁のコンセントに接続され得るが、医療デバイスおよび受信機ユニットが移植された患者は、自由に移動し得、よって、伝送機ユニットおよび受信機ニットの相対配向は、固定されず、変化し得る。
【０００５】
本発明の一態様において、無線エネルギー伝達のためのシステムは、伝送機ユニットと、受信機ユニットとを含む。伝送機ユニットは、電力を受信機ユニットに無線で伝送するために、電力供給源に結合されるように構成されるコイルを有する、共振器を有する。受信機ユニットは、デバイス負荷に結合されるコイルを有する、共振器を有する。共振器の少なくとも１つは、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がる、非平面共振器である。
【０００６】
本発明の別の態様において、全方位無線エネルギー伝達のための方法は、以下のステップを含む。電力供給源に結合されるコイルを含む共振器が提供される。電気負荷に結合されるコイルを有する別の共振器が、他の共振器からある分離距離で配置される。共振器の少なくとも１つが、コイルのそれぞれの配向に関係なく、コイル間での無線エネルギー伝達を可能にするために、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がる。
【０００７】
本発明のさらなる態様において、エネルギーを受信機ユニットに無線で伝達するために全方位無線エネルギー伝達システムで使用するための伝送機ユニットは、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がるコイルを有する、非平面共振器を含む。伝送機ユニットはまた、コイルに結合される電力回路も含む。電力回路は、電流をコイルに送達するために電力供給源に電気的に接続されるように構成される。
【０００８】
本発明の異なる態様において、伝送機ユニットから伝達されたエネルギーを無線で受け取るために全方位無線エネルギー伝達システムで使用するための受信機ユニットは、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がるコイルを有する、非平面共振器を含む。受信機ユニットはまた、コイルに結合される電気負荷も含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、本発明の実施形態を例証するために使用される以下の説明および添付図面を参照することによって最も良く理解され得る。図面において、
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による非平面共振器を示す図である。
【図２】本発明の別の実施形態による非平面共振器を示す図である。
【図３】本発明のさらなる一実施形態による非平面共振器を示す図である。
【図４】本発明の異なる実施形態による非平面共振器を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による無線エネルギー伝達のシステムのための概念図である。
【図６】本発明の実施形態による無線エネルギー伝達のためのシステムで使用される平面共振器を示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による経皮的エネルギー伝達システム（ＴＥＴＳ）を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の別の実施形態によるＴＥＴＳを示す図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態による特定の配向で配設されるＴＥＴＳを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態による異なる配向で配設されるＴＥＴＳを示す図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による全方位無線エネルギーのための方法を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の別の実施形態による全方位無線エネルギーのための方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明では、多くの具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細を伴わずに実践され得ることを理解されたい。他の例では、この説明の理解を不明瞭にしないために、よく知られている回路、構造、および手法は、詳細に示されていない。
【００１２】
本明細書における「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「例示的な実施形態（ａｎ  ｅｘａｍｐｌｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」等の参照は、説明される実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含み得るが、全ての実施形態が、必ずしもこの特定の特徴、構造、または特性を含むとは限らないことを示す。さらに、このような句は、必ずしも同じ実施形態を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が実施形態と関連して説明されるときには、明確に説明されているかどうかに関わらず、他の実施形態と関連するそのような特徴、構造、または特性にも影響を及ぼすことは当業者の知識の範囲内であることが提起される。
【００１３】
以下の説明および特許請求の範囲では、その派生語とともに「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語が使用され得る。「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、互いに物理的または電気的に直接接続する場合もあれば、そうでない場合もある、２つ以上の要素が互いに協働または相互作用することを示すために使用されることを理解されたい。「エネルギー伝達」、「電力伝達」、および「電力伝送」という用語、ならびにそれらの派生語は、同じ意味で使用され、２つのデバイス間でのエネルギーの伝送を指す。
【００１４】
平面共振器の使用は、２つの静止物体間で電力を伝達する用途に有効であるが、伝送共振器および受信共振器が非平行配向に移動または回転するにつれて、電力伝達率が急激に低下する。大きい分離距離を通じて電力を伝送することができるシステムであっても、平面伝送共振器が平面受信共振器に対して直角に配向されるときには、いかなる正味の電力伝達も起こらない。したがって、伝送機デバイスおよび受信機デバイスの相対配向が、大幅に変動し得るか、または未知であるシステムでは、平面共振器が互いに対して直角に位置付けられるときに、受信機デバイスが長期間にわたって全く電力を受け取らない可能性がある。この結果は、ある用途では重要でない場合があるが、この結果は、受信機デバイスが、重要な身体機能を支援するために使用される移植された医療デバイスであり、移植された医療デバイスの中の電池等の電力貯蔵ユニットが適切に充電されない場合に、患者の健康に危険をもたらし得る。
【００１５】
移植された医療デバイスは、経皮的エネルギー伝達システム（ＴＥＴＳ）を使用して給電または充電することができ、該ＴＥＴＳは、患者の皮膚を通して、外部電力源から、移植された医療デバイスに無線で電気エネルギーを伝達する。平面共振器を使用する従来のＴＥＴＳでは、長期間を通じて有効な電力伝送を維持するために、患者は、電力伝送機デバイスに対して実質的に固定または既知の位置を保つように制限される。例えば、患者には、平面受信共振器を有する医療デバイスが移植されており、患者はベッドで休んでいると仮定する。平面伝送共振器は、ベッドの上に位置付けるか、またはベッドの中に組み込むことができ、よって、患者が仰向けに寝ているときに、２つの共振器は、互いに対してほぼ平行に配向されて、患者が休んでいる間に、移植された医療デバイスの充電を達成する。しかしながら、患者がベッドの中で移動するまたは転がると、患者に移植された平面伝送共振器と平面受信共振器との間の電力伝達量は、患者が回転して横向きに休み、よって、現在、共振器が互いに対して直角である場合に、ゼロまで低下する可能性がある。患者がこの位置から長期間移動しない場合、移植された医療デバイスは、電力を完全に喪失して、患者に危険をもたらし得る。
【００１６】
本発明の一実施形態に従って、以下、無線エネルギー伝送システムにおける全方位無線エネルギー伝達を可能にするための非平面共振器を説明する。非平面共振器は、２つの次元の代わりに３つの空間的次元を占める表面領域に広がる、共振器である。例えば、一実施形態において、非平面共振器は、楕円放物面等の少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がる、共振器である。楕円放物面は、椀のように成形される表面であり、椀の内側には凹状部分を有する。楕円放物面において、凹状部分が楕円放物面に沿って延在するとき、凹状部分は、無限空間まで延在することに留意されたい。換言すれば、楕円放物面の凹面は、巻き付かず、それ自体を取り囲まない。３次元ユークリッド空間において、楕円放物面は、次式によって説明される。
ｘ2／ａ2＋ｙ2／ｂ2−ｚ＝０、式中、ａおよびｂは、定数である。
図１で示される例示的な実施形態において、楕円放物面に広がる非平面共振器１００は、リッツ線コイル等の螺旋ワイヤコイル１０２を有し、該螺旋ワイヤコイルは、上の式によって定義される仮想椀形状表面の底部の中心から始まり、表面の側壁に沿って該仮想椀形状表面の縁まで上方に螺旋を形成する。
【００１７】
いくつかの実施形態において、螺旋ワイヤコイル１０２のループの間には、空隙１０４を存在させることができる。空隙１０４は、均等に分布させることができ、またはより幅の広い空隙を有するワイヤコイルの部分と、より狭い空隙を有する他の部分とを存在させることができる。同様に、ワイヤ巻線の密度も、非平面共振器１００の表面の上で変動させることができる。空隙の幾何学形状およびワイヤ巻線の密度は、特定のインダクタンスまたは特定のキャパシタンスを有するように非平面共振器を調整して、特定の共振周波数を達成するために使用することができる。これは、非平面表面に広がる共振器を形成するワイヤコイル構成の単なる一例に過ぎないことを理解されたい。他の実施形態において、ワイヤコイル１０２は、そのような表面に広がる共振器を形成するために、異なるように構成することができる。
【００１８】
代替として、図２で示されるように、非平面共振器２００は、磁束を導くために、磁気材料で作製される楕円放物面または椀形状のコア２０４とすることができる。リッツ線等のワイヤ２０２は、例示的な図示の目的で、そのコア２０４に巻き付けられる。ワイヤ２０２は、椀形状のコア２０４の一方の側部から対向側部までコア２０４に巻き付けること、椀形状のコア２０４の外面に巻き付けること、または示されるように、椀形状のコア２０４の交差直径に沿って巻き付けることができる。他の実施形態において、ワイヤ２０２は、他の構成で磁気コア２０４に巻き付けることができる。上の実施形態と同様に、ワイヤ巻線の密度は、特定の共振周波数を達成するために調整することができる。
【００１９】
別の例示的な実施形態において、非平面共振器は、双曲放物面等の少なくとも２つの凹状部分を有する、非縮退２次元表面に広がる。双曲放物面は、サドルのように成形される表面であり、サドルの頂部が一方の凹状部分を有し、サドルの底部がもう一方の凹状部分を有する。一実施形態において、一方の凹状部分の凹状湾曲は、もう一方の凹状部分の凹状湾曲に対して直角にすることができる。双曲放物面において、表面の凹状部分が双曲放物面に沿って延在するとき、凹状部分は、無限空間まで延在することに留意されたい。換言すれば、双曲放物面の凹面は、巻き付かず、それら自体を取り囲まない。３次元ユークリッド空間において、双曲放物面は、次式によって説明される。
ｘ2／ａ2−ｙ2／ｂ2−ｚ＝０、式中、ａおよびｂは、定数である。
図３で示される一実施形態において、双曲放物面に広がる非平面共振器３００は、リッツ線コイル等の螺旋ワイヤコイル３０２を有し、該螺旋ワイヤコイルは、仮想サドル形状の表面の中心から始まり、サドル形状の表面に沿って外方に螺旋を形成する。いくつかの実施形態において、螺旋ワイヤコイル３０２のループの間には、空隙３０４を存在させることができる。他の実施形態において、ワイヤコイル３０２は、そのような表面に広がる共振器を形成するために、異なるように構成することができる。空隙３０４の幾何学形状およびワイヤ巻線の密度はまた、比インダクタンス値または比キャパシタンス値を有するように非平面共振器を調整して、特定の共振周波数を達成するために使用することもできる。
【００２０】
代替として、図４で示されるように、非平面共振器４００は、磁束を導くために、磁気材料で作製される双曲放物面またはサドル形状のコア４０４とすることができる。リッツ線等のワイヤ４０２は、そのコア４０４に巻き付けられる。ワイヤ４０２は、サドル形状のコア４０４の一方の側部から対向側部までコア４０４に巻き付けること、または示されるように、サドル形状のコア４０４の中心を横切って巻き付けることができる。他の実施形態において、ワイヤ４０２は、他の構成で磁気コア４０４に巻き付けることができる。他の実施形態と同様に、ワイヤ巻線の密度は、特定の共振周波数を達成するように調整することができる。
【００２１】
より全般的には、本発明の実施形態による非平面共振器は、３次元ユークリッド空間で以下の式の１つによって定義される非縮退２次元表面に広がる、共振器である。
Ａｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ2＝Ｄ、または、
Ａｘ2＋Ｂｙ2＋Ｃｚ＝０、式中、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、非ゼロ数である。
これらの式によって定義される表面は、あるときには、非縮退２次曲面と称される。上で説明される楕円放物面および双曲放物面に加えて、上の式の１つによって定義される表面に広がる非平面共振器の別の例示的な実施形態は、双曲面に広がる非平面共振器を含む。そのような表面の１つの特徴は、これらの表面が放物線状の断面を有することである。本発明の実施形態による非平面共振器は、非縮退２次元表面の形状の輪郭を描くように形成されるワイヤコイルによって実現することができる。コイルを形成するために使用されるワイヤは、例えば、リッツ線とすることができる。リッツ線は、全般的に、電流を搬送するために電子機器で使用されるタイプのケーブルと称され、表面積を増加させ、かつ抵抗を減少させることによって各ケーブルを通過する電流量を増加させるために、１つ以上のレベルにおいて１つ以上のパターンで、多数の個別に編組された、または織られた編み紐状のワイヤを有し得る。あるいは、ワイヤは、絶縁被覆を有する編み紐状または箔状の導電性金属（例えば、銅、金、または銀等）とすることができる。他の実施形態において、非平面共振器は、磁気材料のコアに巻き付けられるワイヤ、例えばリッツ線で実現することができ、磁気コアは、非縮退２次元表面を有するように成形または形成されている。これらの実施形態において、磁気材料のコアは、磁気コアの形状に応じて、種々の方向に磁束を導くために使用される。いくつかの実施形態において、共振器の共振周波数は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲とすることができる。
【００２２】
上で説明される実施形態によって示されるように、「共振器は、非縮退２次元表面に広がる」という句および類似する派生語は、共振器が必ずしも固体表面を有することを必要としない。代わりに、本明細書で使用される「共振器は、非縮退２次元表面に広がる」という句は、共振器がそのような表面（例えば、螺旋コイル）の輪郭を形成することを意味するか、または共振器がそのような表面（例えば、ワイヤがコアに巻き付けられた磁気コア）を有することを意味することができる。さらに、「共振器は、非縮退２次元表面に広がる」という句および類似する派生語はまた、共振器の形状が、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、そのような表面から外れ得る、僅かな特徴または変形を有し得ることも意味することに留意されたい。例えば、楕円放物面で椀形状の表面を有する実施形態に関して、共振器は、湾曲した底部の代わりに平坦な底部を有し得るか、または側壁が１つ以上の僅かな窪んだ凹部を有し得る。そのような僅かな特徴または変形は、例示的な実施形態の範囲および趣旨から離れて損なわないことを理解されたい。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態による全方位無線エネルギー伝達システム５００を示す。全方位無線エネルギー伝達システム５００は、ワイヤコイルを有する伝送共振器５０２を有する伝送機ユニット５０１と、ワイヤコイルを有する受信共振器５１２を有する受信機ユニット５１１とを含む。この示される特定の実施形態において、受信共振器５１２は、楕円放物面に広がる非平面共振器である。他の実施形態において、受信共振器５１２は、上で説明される非縮退２次元表面のいずれかに広がり得る。さらに、図５で示される実施形態では、非平面共振器を有する受信機ユニットであるが、他の実施形態では、非平面共振器を有する、伝送機ユニットまたは受信機ユニットおよび伝送機ユニットの双方とすることができる。
【００２４】
図５で示される例示的な全方位無線エネルギー伝達システム５００において、伝送共振器５０２は、平面共振器である。伝送共振器５０２の平面図６００は、図７で示される。示されるように、伝送機ユニット５０１の中の伝送共振器５０２を形成するワイヤは、平面に広がる。より具体的には、この例示的な実施形態の伝送共振器５０２は、四角形の螺旋ワイヤコイルであり、螺旋ワイヤコイルの各ループは、実質的に互いに同じ平面に配設される。他の実施形態において、他の平面伝送共振器が使用され得る。
【００２５】
伝送機ユニット５０１は、電力供給源または電力源５２０、例えば壁の電気コンセントに結合されるように構成され、よって、伝送機ユニット５０１が給電されると、電力源５２０は、伝送共振器５０２のコイルを通して電流を駆動する。あるいは、伝送機ユニット５０１は、伝送共振器５０２のコイルを通して電流を駆動するために使用することができる、電池等の他の電力源に結合することができる。結果的に、伝送共振器５０２のコイルの中を通過する電流によって、平面伝送共振器５０２の平面に対して垂直の磁束が発生する。図示されていないが、伝送機ユニット５０１は、例えば交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への変換またはその逆を行うために、追加的な電力回路を有し得ること、および例えば伝送機ユニット５０１の電力出力を変調させるために、追加的な制御回路を有し得ることを理解されたい。受信機ユニット５１１がシステムの動作距離の範囲内に置かれたときに、伝送機ユニット５０１から発生した磁束は、受信機ユニット５１１の中の受信共振器５１２で電流を誘導し、それは、受信機ユニット５１１のコイルの中に電流を流させる。受信機ユニットの中のコイルは、電気負荷またはデバイス負荷５１３に結合される。受信機ユニット５１１の中のコイルを通って流れる電流は、次いで、デバイス負荷５１３に給電するために使用することができる。示されるように、デバイス負荷５１３が電池または他のタイプの再充電可能な電力貯蔵デバイスである場合、受信機ユニット５１１の中のコイルを通って流れる電流は、電力貯蔵デバイスに再充電するために使用することができる。このようにして、全方位無線エネルギー伝達システム５００は、伝送機ユニット５０１から受信機ユニット５１１に電力を無線で伝達することができる。
【００２６】
密に整合された共振周波数を有する伝送機ユニット５０１および受信機ユニット５１１で共振器を使用することによって、システム５００の電力伝達効率を向上させることができ、結果的に、全方位無線エネルギー伝達システム５００を通して電力を伝達することができる距離の範囲を、従来の誘導結合手法を超えて拡張することができる。共振器は、固有振動周波数を有する物体である。より具体的には、無線エネルギー伝達に関して、共振器は、エネルギーを２つの形態で貯蔵し、貯蔵したエネルギーを２つの形態の間で連続的に交換する物体である。電磁共振器において、貯蔵されたエネルギーは、容量素子の電界と誘導素子の磁界との間で連続的に交換されているか、または振動している。この振動は、共振器の抵抗損失のため、減衰するかまたは弱まる。この振動のため、振動の１サイクルで伝送機から受信機に伝達されないエネルギーは、完全に失われない。換言すれば、伝送機の貯蔵されたエネルギーは、多数の振動サイクルを通して受信機に伝達することができる。これは、ある例において、受信機に伝達されない誘導素子の磁界に貯蔵されるいくらかのエネルギーが失われる、純粋な誘導結合システムとは対照的である。大きい分離距離では、この純粋な誘導結合システムのエネルギー損失が顕著であり、結果として、有意な量のエネルギーがほとんどまたは全く伝達されない。無線エネルギー伝達システム５００において、共振器の使用は、伝送機ユニット５０１の中の貯蔵されたエネルギーの大部分を、上で説明される多数の振動サイクルを通じて受信機ユニット５１１に伝達して、システム５００の全電力伝達効率を向上させることを可能にする。その結果、受信機ユニット５１１は、伝送機ユニット５０１からさらに離れた分離距離で配置することができ、それでも、有意な量のエネルギーを経時的に伝達することを可能にする。
【００２７】
共振器は、システムの通信／伝達範囲を拡張するために、無線エネルギー伝達システムで使用されているが、平面共振器を使用するシステムは、共振器の互いに対する相対配向の変化の影響を受け易い。どちらのシステムも同じ分離距離および同じ出力電力率を有する、非平面共振器を使用するシステムと、平面共振器を使用するシステムとの比較は、以下の通りであり得る。特定の方向において非平面共振器システムの中の受信機で受け取られるエネルギー量は、潜在的に、伝送共振器および受信共振器が互いに対して平行であるときに平面共振器システムの中の受信機で受け取られるエネルギー量よりも少なくなり得る。例示的な実施形態において、平面共振器システムがその好適な配向で配設されるとき（伝送共振器および受信共振器が互いに対して平行であるとき）、非平面共振器システムで受け取られるエネルギー量は、平面共振器システムで受け取られるエネルギー量の約２５％になる可能性がある。しかしながら、平面共振器は、単一の好適な配向でより多くの電力を伝達することができ得るが、平面共振器システムが伝達することのできるエネルギー量は、システムが他の配向で配設されるときに急激に減少し、伝送共振器および受信共振器の配向が互いに対して直角に配設されるときには、ゼロまで減少する可能性がある。
【００２８】
例えば受信機ユニット５１１で、３つの空間的次元を占める表面領域に広がる非平面共振器５１２を使用することによって、同じ伝送機ユニット５０１は、平面共振器を有する受信機ユニットと比較して、より広い範囲の空間的配向を通じてエネルギーを非平面受信共振器５１２に結合または伝達することができる。したがって、全方位無線エネルギー伝達システム５００の動作範囲内である所与の分離距離Ｄでは、デバイス負荷５１３に給電または再充電するために必要とされる有意な量の電力を伝達するために、共振器５０２および５１２を互いに対して任意の特定の配向で配置しなければならないといういかなる要件もない。１つの例示的な実施形態において、システム５００は、非平面受信共振器５１２に対する伝送共振器５０２の配向に関係なく、所与の分離距離Ｄの伝送共振器５０２と非平面受信共振器５１２との間で、その所与の分離距離Ｄでの（平面受信共振器と比較して）最大電力伝達の少なくとも２５％の電力伝達を達成することができる。例えば、一実施形態において、例えば２．５ｃｍ〜３５ｃｍの範囲の分離距離Ｄを通じて、伝送共振器５０２から受信共振器５１２に５Ｗ〜２０Ｗの範囲の電力を伝達することができる。システム５００は、共振器５０２および５１２がそれらの理想的な配向であるときに、１０ｃｍの距離Ｄで、最大で約２０Ｗを伝達することができる。共振器５０２および５１２がそれらの理想的な配向から回転または変位したときであっても、システム５００は、依然として、同じ１０ｃｍの距離Ｄで、少なくとも５Ｗの電力を受信機ユニット５１１に伝達することができる。他の実施形態では、共振器のサイズおよび幾何学形状を調整することによって、他の距離を通じて、より多いまたはより少ない電力量を伝達することができる。非平面共振器を使用するという同じ概念は、信号がその範囲を進行するのに十分な電力がある限りは、距離と無関係であり、また、より大きい範囲の距離にも同様に適用することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、伝送共振器５０２の共振周波数は、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、または１０ＭＨｚとすることができる。受信共振器５１２は、伝送共振器５０２に密に整合される共振周波数を有するように設計される。したがって、伝送共振器５０２が１００ｋＨｚの共振周波数を有する場合は、受信共振器も、約１００ｋＨｚ、例えば、１００ｋＨｚの±５％または±１０％以内の共振周波数を有するように設計される。他の実施形態において、密に整合される共振器５０２および５１２の共振周波数は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲である周波数とすることができる。さらなる実施形態では、他の共振周波数を使用することができる。
【００３０】
図５で示される実施形態において、また、上で説明されるように、伝送共振器５０２および受信共振器５１２は、異なるように成形される。どちらの共振器も同じワイヤ長さを有する同じ材料で作製される場合であっても、各共振器は、それらの幾何学形状および構成の違いのため、僅かに異なる固有共振周波数を有し得る。加えて、一方の共振器の共振周波数をもう一方の共振器の共振周波数から逸脱させ得る他の要因としては、共振器の周囲環境の違いが挙げられる。例えば、一方の共振器は、もう一方の共振器とは異なる温度の影響を受け得るか、または、一方の共振器は、近隣の高導電性材料のシート等の、共振周波数に影響を及ぼし得る他の無関係な物体の影響を受け得る。
【００３１】
システムの性能を向上させるために、同調可能コンデンサを共振器のうちの少なくとも１つのコイルに結合することができる。同調可能コンデンサは、制御入力に応じて変化させることができる可変容量値を有する回路または構成要素である。制御入力は、同調可能コンデンサの材料または回路のその容量値を変化させることができる、電圧、電流、周波数、または任意の他の入力であり得る。同調可能コンデンサをコイルに結合することは、共振器の実効容量値を調整することを可能にする。同調可能コンデンサを使用する共振器の実効容量値を調整することによって、システムのもう一方の共振器の共振周波数に整合させるために、および受信機ユニット５１１での電圧利得を最大にするために、その共振器の共振周波数を同調させることができる。さらに、同調可能コンデンサは、共振器の共振周波数を整合させるために使用することができるだけでなく、同調可能コンデンサはまた、システムの動作条件が、より少ないエネルギーの伝達を必要とする場合に、伝送機ユニット５０１から受信機ユニット５１１に伝達されるエネルギー量を低減させるために、システムを離調させるために使用することもできる。他の実施形態では、システムの共振周波数を同調させるために、一連の容量素子または容量素子のネットワークを、共振器の少なくとも１つのコイルに結合することができる。一連の容量素子または容量素子のネットワークは、上で説明されるものと同じ目的で、共振器の実効容量値を達成するために、容量素子の異なる直列配設および／または並列配設を形成するように構成することができる。あるいは、共振器の実効インダクタンスを調整して共振周波数を変化させるために、同調可能誘導要素または誘導要素のネットワークを使用することができる。
【００３２】
さらなる実施形態において、共振器５０２および５１２のうちの少なくとも１つは、システムの品質係数「Ｑ」を同調させて受信機ユニット５１１での電圧利得を最大にするために、同調可能抵抗器または一連の抵抗素子もしくは抵抗素子のネットワークに結合される。同調可能抵抗器は、制御入力に応じて変化させることができる可変抵抗値を有する回路または構成要素である。制御入力は、同調可能抵抗器の材料または回路のその抵抗値を変化させることができる、電圧、電流、または任意の他の入力であり得る。同様に、一連の抵抗素子または抵抗素子のネットワークは、実効抵抗値を達成するために、抵抗素子の異なる直列配設および／または並列配設を形成するように構成することができる。例えば、抵抗素子は、抵抗器、実効抵抗値を有するコンデンサ、または双方の組み合わせとすることができる。一実施形態において、一連の抵抗素子は、一連のコンデンサとすることができ、該コンデンサは、同じ容量値を有するが、異なる実効直列抵抗値を有する。これは、同じ実効容量を保ちながら、実効抵抗を調整することを可能にする。
【００３３】
品質係数「Ｑ」は、共振器の逆電力損失を表す。したがって、より大きいＱは、共振器におけるより低い電力損失およびより高いエネルギー伝達効率を意味し、受信機ユニット５１１でより高い電圧利得をもたらす。伝送共振器５０２および受信共振器５１２を有する共振システムの品質係数「Ｑ」は、２つの共振器５０２および５１２の品質係数の積の二乗根によって表すことができる。システム５００での電力損失を低減させて、受信機ユニット５１１での電圧利得を最大にするために、共振器５０２および５１２の一方または双方の品質係数を高めることによって、システムの品質係数「Ｑ」を高めることができる。これは、それぞれの抵抗器のコイルに結合される同調可能抵抗器または一連の抵抗素子を同調させて、共振器によって示されるインピーダンスを変調させ、整合させることによって達成することができる。あるいは、実効容量および／または実効インダクタンスを調整して品質係数「Ｑ」を変化させるために、同調可能容量素子および／もしくは誘導素子、または容量素子および／もしくは誘導素子のネットワークを使用することができる。
【００３４】
別の実施形態において、システムの電力伝達効率は、伝送機ユニット５０１から発生した出力磁束を受信ユニット５１１に向かって導くために、高透磁性で低損失な材料で作製される磁束集中器を使用することによって、さらに向上させることができる。磁束集中器のない実施形態において、伝送機コイルから発生した磁束は、伝送機コイルの周囲に、さらには受信機ユニット５１１から離れている迷走方向にも拡散する。伝送機ユニット５０１上での磁束集中器の使用は、発生した磁束をそれらの迷走方向から受信機ユニット５１１の方向に向かって流し、導き直すように、磁気経路を作成することができる。同様に、磁束集中器はまた、受信機コイルの周辺領域の周囲の磁束を受信機コイルに向かって導き直すために、受信機ユニット５１１でも使用することができる。
【００３５】
上で説明される手法および構成要素を使用するシステムの同調を容易にするために、伝送機ユニット５０１および受信機ユニット５１１のそれぞれは、受信機ユニット５１１に送達される電力を変調させるために、受信機ユニット５１１と伝送機ユニット５０１との間に通信チャネルを確立し、ユニット間でシステム情報を通信して、構成要素を調整するように、符号器、復号器、アンテナ、増幅器、変調器、およびフィルタ等の追加的な通信回路を含み得る。例えば、無線通信チャネルは、Ｗｉ−Ｆｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１ファミリ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外線、および他のよく知られている無線通信プロトコルを含む、無線周波数信号または他の無線信号伝送とすることができる。通信チャネルを通じて通信されるシステム情報としては、デバイス負荷５１３の電池レベルおよび使用量等の、性能データが挙げられる。他の性能データとしては、共振周波数、システムの中の回路のインピーダンス、システムの電圧および負荷、共振器５０２および５１２の温度、ならびにシステムを同調および離調させるために使用することができる他のデータが挙げられ得る。加えて、通信チャネルを通じて通信されるシステム情報としてはまた、伝送機ユニット５０１および受信機ユニット５１１の識別情報、ならびにシステムの設定または動作モードを変化させるための命令も挙げられる。
【００３６】
上の実施形態は、非平面共振器を有する受信機ユニット５１１に関して説明されているが、他の実施形態では、共振器の共振結合における対称性のため、非縮退２次元表面に広がる非平面共振器が、伝送機ユニット５０１および受信機ユニット５１１の双方の中に、または伝送機ユニット５０１の中だけにあり得る。したがって、受信共振器または伝送共振器のうちの少なくとも１つが、非縮退２次元表面に広がる非平面共振器である限り、一方の共振器に対するもう一方の共振器の配向に関係なく、所与の動作距離で電力を伝送することができる。このシステムの対称性は、空間が受信機ユニットの中に限定される場合、または無関係な物体等の他の要因が、受信共振器で使用することができる幾何学形状のタイプを制限する場合の用途に特に有用である。
【００３７】
そのような用途の１つの例は、経皮的エネルギー伝達システム（ＴＥＴＳ）であり、該システムにおいて、受信機ユニットは、移植された医療デバイスの一部である。補助人工心臓または血液ポンプ等の移植された医療デバイスについて、受信共振器は、人体内の皮下に配置するように構成される。人体における受信共振器の移植場所に応じて、受信共振器の幾何学形状は、近隣の器官または他の身体構造物への近接性によって空間的に制限され得る。したがって、そのような用途では、受信機ユニットではなく伝送機ユニットの中に非平面共振器を有することが望ましくなり得る。異なる実施形態も可能である。例えば、非平面共振器は、患者の身体の一部または全周に巻き付けて、胸部／腹部領域に移植することができる。非平面共振器は、肋骨の波上の輪郭、および胸郭の周囲に輪郭形成する全般的な形状に似た表面に広がるように形成することができる。
【００３８】
例示的な実施形態において、非平面の移植された受信共振器の寸法は、０．５インチ（ｉｎ）〜２ｉｎの範囲の深さに広がり得、また、共振器の断面が広がる最も大きい可能な領域に沿って３ｉｎ×３ｉｎ程度の大きさであり得る。 換言すれば、移植された受信共振器は、３ｉｎ×３ｉｎ×２ｉｎ未満である容積に広がり得る。他の実施形態において、移植された受信共振器は、非平面共振器を身体の腹部に巻き付ける場合に関して、人体解剖学的構造が許容することができる大きさと同じくらいの領域になるように共振器の断面が広がる、最も大きい可能な領域を有することができる。
【００３９】
図７Ａおよび７Ｂは、本発明の実施形態による、補助人工心臓（ＶＡＤ）７５０を有するＴＥＴＳ７００の例示的な実施形態を示す。ＶＡＤは、機能不全の心臓の機能を部分的または完全に置き換えるために使用される、機械式循環デバイスである。鬱血性心不全に罹患している患者について、ＶＡＤは、長期使用するために患者に移植される。ＶＡＤは、右心室（ＲＶＡＤ）または左心室（ＬＶＡＤ）のいずれかを、または同時に双方を（ＢｉＶＡＤ）支援するように設計される。ＶＡＤは、軸流または遠心流構成で設計することができる。軸流または遠心流構成で構成されるインペラは、ボールベアリングおよびカップベアリング等のジャーナルベアリングによって、またはアクティブな磁力および／もしくはパッシブな磁力の組み合わせによって、またはパッシブな磁力および流体力の組み合わせによって吊設することができる。他の実施形態において、血液ポンプは、人工心臓とすることができ、該人工心臓は、心機能を完全に引き継ぐように設計され、患者の心臓の切除を必要とし得る。
【００４０】
ＶＡＤ７５０は、ポンプアセンブリ７１３と、血液ポンプ７１４と、再充電可能な電力貯蔵デバイス７１６と、電力受信機ユニット７１１とを含む。再充電可能な電力貯蔵デバイス７１６は、一次電池の貯蔵したエネルギーを使い切った場合、または別様には一次電池が故障した場合に備えて予備電池を有するＶＡＤ７５０を提供するために、２つ以上の再充電可能電池７１５を含み得る。再充電可能な電力貯蔵デバイス７１６は、血液ポンプアセンブリ７１３から離れた場所、例えば図７Ａで示されるように下腹部に移植することができる。電力受信ユニット７１１は、電力貯蔵デバイス７１６に結合されるコイルを有する共振器７１２を含み、該電力貯蔵デバイスは、電力受信機ユニット７１１の電気負荷である。図７Ａで示される実施形態では、受信機ユニット７１１が、受信共振器７１２のサイズおよび形状に対して空間的な制約が少ないかもしれない下腹部領域に移植されるので、受信共振器７１２は、ＴＥＴＳ７００の中の共振器の非平面のものであり、上で説明される表面のいずれかを含む、非縮退２次元表面に広がる。受信共振器７１２の共振周波数は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲とすることができる。例示的な実施形態において、受信共振器７１２の共振周波数は、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、または１０ＭＨｚとすることができる。他の実施形態では、人体に安全である別の共振周波数を使用することができる。
【００４１】
ＴＥＴＳ７００はまた、患者の外部にある、電力伝送機ユニット７０１も含む。伝送機ユニット７０１は、壁の電気コンセント等の電力供給源７２０に結合されるように構成されるコイルを有する、伝送共振器７０２を含む。あるいは、伝送機ユニット７０１は、伝送共振器７０２のコイルを通して電流を駆動するために使用することができる、電池等の、他の電力源に結合することができる。この特定の実施形態において、伝送共振器７０２は、平面ワイヤループで作製される、平面共振器である。伝送機ユニット７０１が壁の電気コンセント７２０に接続されると、伝送共振器７０２のコイルに電流が発生する。伝送共振器７０２の共振周波数は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲とすることができる。例示的な実施形態において、伝送共振器７０２の共振周波数は、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、または１０ＭＨｚとすることができる。他の実施形態では、人体に安全である別の共振周波数を使用することができる。伝送機ユニット７０１の一部としての伝送共振器７０２は、壁、椅子、ベッド等の静止物体に、または外部制御もしくは人間の支援がなければそれら自体が移動しない、自動車用シートまたは物体等の他の備品に組み込まれ得る。静止して組み込まれた伝送共振器のための電力源は、一般に、電気コンセントからの交流であるが、電池電源からの直流とすることもできる。他の実施形態において、伝送共振器７０２は、ベストまたはジャケット等の着用可能な衣類、または他の着用可能なアクセサリの一部分であり得る。個人とともに移動する、個人が着用可能な衣類または物体の一部に組み込まれる伝送共振器の場合、電力源は、同じく患者が着用することができる携帯サイズの再充電可能電池である。
【００４２】
患者の中の受信機ユニット７１１が伝送機ユニット７０１の分離距離Ｄの範囲内に近づくと、ＴＥＴＳ７００は、ＶＡＤ７５０の電力貯蔵デバイス７１６に再充電するために、伝送機ユニット７０１から受信機ユニット７１１にエネルギーを無線で伝達することができる。一実施形態において、２．５ｃｍ〜３５ｃｍの範囲である所与の分離距離Ｄで、伝送機ユニット７０１は、ＶＡＤ７５０の電力貯蔵デバイス７１６の中の電池７１５に再充電するために、５Ｗ〜２０Ｗの範囲の電力を受信機ユニット７１１に送達することができる。受信機ユニット７１１の中の受信共振器７１２で非平面コイルを使用することによって、ＴＥＴＳ７００は、それぞれのコイルの互いに対する配向に関係なく、所与の分離距離Ｄの伝送共振器７０２の伝送機コイルと受信共振器７１２の受信機コイルとの間で、その所与の分離距離Ｄでの達成可能な最大電力伝達の少なくとも２５％の電力伝達を達成することができる。例えば、一実施形態において、ＴＥＴＳ７００は、１０ｃｍの距離Ｄで、受信共振器７０２および伝送共振器７１２のコイルのそれぞれがそれらの理想的な配向にあるときに、２０Ｗの最大量を伝達することができる。患者が移動し、受信共振器７１２の中のコイルを、それらの理想的な配向から離れて、伝送共振器７０２の中のコイルに対して異なる角度に配向させても、ＴＥＴＳ７００は、依然として、１０ｃｍの分離距離Ｄで、少なくとも５Ｗの電力を受信機ユニット７１１に伝達することができる。他の実施形態では、共振器のサイズおよび幾何学形状を調整することによって、より長い距離、例えば３５ｃｍ以上の分離距離を通じて、より多いまたはより少ない量の電力を送達することができる。
【００４３】
本発明の実施形態による、受信機ユニット７１１において３つの空間的次元を占める表面領域に広がる非平面共振器の使用は、非平面受信共振器７１２を、より広い範囲の空間的配向で伝送機ユニット７０１から発生したより多くの磁束と結合することができるという点で、平面共振器だけを使用する従来のシステムに勝る利点を有する。したがって、ＴＥＴＳ７００の動作範囲内である所与の分離距離Ｄでは、再充電可能な貯蔵デバイス７１６に再充電するために必要とされる有意な量の電力を伝達するために、共振器７０２および７１２を互いに対して特定の配向で配置しなければならないといった、いかなる要件もない。
【００４４】
この本発明の実施形態によるＴＥＴＳ７００の利点は、図８Ａおよび８Ｂで示される。図８Ａおよび８Ｂにおいて、ＴＥＴＳ７００の伝送機ユニット７０１の一部としての伝送共振器７０２は、ベッド８００に組み込まれる。患者には、ＶＡＤ７５０、およびＶＡＤ７５０の再充電可能電池に結合される非平面受信共振器を有する受信機ユニット７１１が移植される。図８Ａで示されるように患者がベッドの上に仰向けに寝ているか、図８Ｂで示されるように横向きに寝ているかに関わらず、ＴＥＴＳ７００は、依然として、ＶＡＤ７５０の再充電可能電池に再充電するために、十分なエネルギー量を伝達することができる。本発明の実施形態によるＴＥＴＳ７００のこの特徴は、伝送機および受信機のそれぞれについて単一の平面共振器だけを使用する従来のシステムでは不可能であり得る。従来のシステムにおいて、伝送機および受信機の中の平面共振器は、平面共振器間でのエネルギー伝達を達成するために、患者が図８Ａにあるようにベッドに仰向けに寝ているとき、互いに対して平行に配向され得る。しかしながら、患者が図８Ｂにあるように横向きに回転して寝ているとき、そのような従来のシステムの平面共振器は、結果として、互いに対して直角に配向され得、ゼロまたはほぼゼロのエネルギー量の伝達をもたらす。患者が眠って、長期間この位置のままである場合、ＶＡＤ７５０の電池を完全に使い切り、従来のシステムのＶＡＤ７５０を機能させなくし得る。これは、ＶＡＤ７５０が電力を完全に失った場合に、患者に危険をもたらす。したがって、本発明の実施形態に従うＴＥＳＴ７００の非平面共振器を使用することによって、この患者に対する危険性は、共振器がＴＥＴＳ７００の動作距離範囲内にあるときの、伝送共振器および受信共振器の互いに対する配向に関係なく、システムにおけるエネルギー伝達を可能にすることによって最小化することができる。
【００４５】
図７Ａを再度参照すると、ＴＥＴＳ７００は、必要に応じて、および患者の能力要件に応じて、システムを同調または離調させてＶＡＤ７５０に送達される電力を変調させるために、図示されていないが、上で説明される追加的な構成要素および手法のいずれかを含み得る。例示的な実施形態において、伝送機ユニット７０１および受信機ユニット７１１はそれぞれ、受信機ユニット７０１と伝送機ユニット７１１との間に無線通信チャネルを確立し、ユニット間でシステム情報を通信するために、追加的な通信回路を含む。システム情報は、システムの同調可能構成要素を調整して、受信機ユニット８０１に送達される電力を変調させるために使用することができる。無線通信チャネルは、人体に安全である無線周波数信号または他の無線信号伝送とすることができる。
【００４６】
図７Ｂは、本発明に従うＴＥＴＳ７６０の異なる実施形態を示す。この実施形態において、再充電可能な電力貯蔵デバイス７１６は、示されるように、患者の背肩部の近くに移植されている。受信機ユニット７１１が患者の背肩部の近くに移植されるので、平面共振器の幾何学形状は、その場所での移植について、非平面共振器よりも好適であり得る。その結果、非平面共振器を受信機ユニット７１１で使用する代わりに、非平面共振器は、代わりに伝送機ユニット７０１で使用される。したがって、この実施形態において、受信機ユニット７１１の中の平面共振器７７２に対する全方位無線エネルギー伝達を可能にするために、非平面伝送共振器７６２を有するのは、伝送機ユニット７０１である。共振器の共振結合における対称性のため、受信共振器または伝送共振器のうちの少なくとも１つが、非縮退２次元表面に広がる非平面共振器である限り、一方の共振器に対するもう一方の共振器の配向に関係なく、所与の動作距離で電力を伝送することができる。ＴＥＴＳ７６０の動作は、図７ＡのＴＥＴＳ７００の動作に類似し、したがって、ここではＴＥＴＳ７６０の動作の説明は繰り返さない。
【００４７】
本発明の実施形態におけるＴＥＴＳは、他のシナリオでも同様に有利であり得る。例えば、伝送機ユニットは、患者が着用することができる着用可能なベストに一体化することができ、伝送機ユニットは、ベストに組み込まれた電池によって給電することができる。患者は、ベストを身体に接続するためのワイヤを必要とせずに、また、患者が、身体に対するベストの特定の配向について心配することを必要とせずに、移植されたＶＡＤに充電または給電しながら、自由に移動すること、および患者の日常活動を行うことができる。伝送機ユニットは、事務用机または他の事務用家具に一体化することができる。患者が仕事中に事務用机または他の事務用家具の近隣を移動するときに、移植されたＶＡＤは、仕事日全体を通して完全に充電した状態を保つことができる。伝送機ユニットはまた、車両に一体化することもでき、よって、移植されたＶＡＤを有する運転者または同乗者は、移植されたＶＡＤに充電しながら、車両内を自由に移動し、自分の着座位置を調整することができる。伝送機ユニットはまた、旅行者が、移植されたＶＡＤに充電しながら、長距離の国際線上で機内を自由に移動することを可能にするために、飛行機に一体化することもできる。
【００４８】
図９Ａは、本発明の一実施形態による全方位無線エネルギー伝達のための方法を示す。ステップ９０２で、電力供給源に結合された伝送機コイルを含む伝送共振器が提供される。この特定の実施形態において、伝送共振器の一部である伝送機コイルは、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がるコイルである。電力供給源が伝送機コイルを通して電流を駆動すると、伝送共振器の周囲に磁束が発生する。ステップ９０４で、受信共振器は、伝送共振器からある分離距離で配置される。受信共振器は、電気負荷に結合された受信機コイルを含む。分離距離が動作範囲内にあるときに、伝送機ユニットから発生した磁束は、受信共振器の受信機コイルを流れる電流を誘導する。受信機コイルを通って流れる電流は、次いで、受信機コイルに結合された電気負荷に給電するために使用することができる。したがって、電力は、伝送共振器から受信共振器に無線で伝達される。伝送共振器において３つの空間的次元を占める表面領域に広がる非平面共振器を使用することによって、より広い範囲の方向にわたって磁束が発生し、送信共振器に対するより広い範囲の空間的配向で、受信共振器が、発生した磁束のより多くを捉えることを可能にする。
【００４９】
異なる実施形態、例えば図９Ｂで示される方法９５０では、伝送共振器の代わりに、少なくとも１つの凹状部分を有する非縮退２次元表面に広がるのは、受信共振器である。双方の場合において、全方位無線エネルギー伝達の動作の原理は、同じである。共振器の少なくとも１つが、本明細書で開示されるような表面等の、非縮退２次元表面に広がるときには、一方の共振器に対するもう一方の共振器の配向に関係なく、共振器間でエネルギーを伝達することができる。図中のフロー図は、本発明のある実施形態によって行われる動作の特定の順序を示しているが、そのような順序は例示的なものである（例えば、代替の実施形態は、動作を異なる順序で、ある動作を組み合わせて、ある動作を重複させて行い得る）ことを理解されたい。
【００５０】
本発明のいくつかの特定の実施形態は、患者の皮膚を通して、電力を、移植された医療デバイスに無線で伝送するための、経皮的エネルギー伝達システム（ＴＥＴＳ）に関して説明されているが、無線エネルギー伝達システムで非平面共振器を使用することの利点も同様に他の用途に適用することができる。例えば、本発明の実施形態は、製造設備を自由に移動するロボットに給電または再充電するために使用することができ、ロボットの受信機ユニットの配向は、製造設備に導入された静止した伝送機ユニットに対して変動し得る。全般に、本発明の実施形態は、２つの物体間でエネルギーを伝達するための任意の用途で使用することができ、該物体の少なくとも１つは、自由に移動し、よって、２つの物体の相対配向が変化し得る。
【００５１】
本発明は、複数の実施形態に関して説明してきたが、当業者は、本発明が、説明される実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内で、修正および変更を行うことができることを認識するであろう。したがって、説明は、限定するものではなく、実例となるものとみなされる。
【図１】
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【図２】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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