(57)【要約】  タイルのワイヤレス電力伝送共振器からタイルのワイヤレス電力受信デバイスに電力をワイヤレスで伝送することを可能にする内蔵ワイヤレス電力伝送技術を備えるタイルが提供される。ワイヤレス電力受信デバイスは、受信デバイスによって電力を供給される、タイルの前面に配された１つ以上の電気デバイスを含むか、または、電気的に結合される。タイルのアレイが提供されてもよく、その場合、各タイルはワイヤレス電力伝送共振器を有する。アレイのタイルのうち少なくとも１つは、ＲＦ電源に電気的に結合される。各タイルによって生成されるＥＭ界は、そのタイルからアレイの最近傍のタイルに誘導結合される。
2021521766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイルであって、
前面および裏面を有する基板と、
前記タイル内または前記タイルの上に配されたワイヤレス電力伝送共振器と、
前記タイル内または前記タイルの上に配されたワイヤレス電力受信デバイスと、を含む、タイル。
【請求項２】
前記ワイヤレス電力伝送受信デバイスに電気的に結合され、かつ、前記タイルの前記前面に取り付けられた電気デバイスをさらに含み、前記電気デバイスは、前記ワイヤレス電力受信デバイスによって給電される、請求項１に記載のタイル。
【請求項３】
前記電気デバイスは、電気照明デバイスである、請求項２に記載のタイル。
【請求項４】
前記電気デバイスは、電気検出デバイスである、請求項２に記載のタイル。
【請求項５】
前記タイルは、吊り天井（dropped ceiling）を形成する際に使用するために適合されたドロップアウトタイルである、請求項１に記載のタイル。
【請求項６】
前記タイルは、
前記ワイヤレス電力伝送共振器に電気的に結合されたラジオ周波数（ＲＦ）電源をさらに含み、前記ＲＦ電源は、前記タイルの上または前記タイル内に配される、請求項１または２の何れかの請求項１に記載のタイル。
【請求項７】
前記ワイヤレス電力伝送共振器は、
前記タイルの第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれ隣接して延びる第１、第２、第３および第４のセグメントを有する導電性材料の矩形ループと、
少なくとも、前記矩形ループの両端に結合された第１のキャパシタと、を含み、前記矩形ループおよび当該少なくとも第１のキャパシタは、予め選択された特性周波数で前記ワイヤレス電力伝送共振器が共振することを確保するために、予め選択される、請求項１または２に記載のタイル。
【請求項８】
前記ワイヤレス電力受信デバイスは、前記予め選択された特性周波数で共振する、請求項１乃至７の何れか１項に記載のタイル。
【請求項９】
前記ワイヤレス電力伝送共振器は、前記タイルの前記裏面に配される、請求項１乃至８の何れか１項に記載のタイル。
【請求項１０】
各タイルが少なくとも１つの隣接するタイルを有するように配されたタイルのアレイであって、前記アレイの各タイルは、
前面および裏面を有する基板と、
それぞれの前記タイル内または前記タイルの上に配された第１のワイヤレス電力伝送共振器と、を含む、アレイ。
【請求項１１】
前記第１のワイヤレス電力伝送共振器のうち少なくとも１つは、第１のラジオ周波数（ＲＦ）電源に電気的に結合され、前記第１のＲＦ電源は、前記第１のワイヤレス電力伝送共振器のうち当該第１のワイヤレス電力伝送共振器が配された前記タイルの上または前記タイル内に配される、請求項１０に記載のアレイ。
【請求項１２】
前記アレイの少なくとも第１のタイルは、
前記第１のタイル内または前記第１のタイルの上に配された少なくとも第１のワイヤレス電力受信デバイスと、
前記第１のワイヤレス電力伝送受信デバイスに電気的に結合され、かつ、前記タイルの前記前面に取り付けられた電気デバイスと、を含み、前記電気デバイスは、前記第１のワイヤレス電力伝送受信デバイスによって給電される、請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１３】
前記電気デバイスは、電気照明デバイスである、請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１４】
前記電気デバイスは、電気検出デバイスである、請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１５】
各タイルは、吊り天井（dropped ceiling）を形成する際に使用するために適合されたドロップアウトタイルである、請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１６】
前記第１のワイヤレス電力伝送共振器の各々は、
前記タイルの第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれ隣接して延びる第１、第２、第３および第４のセグメントを有する導電性材料の矩形ループと、
少なくとも、前記矩形ループの両端に結合された第１のキャパシタと、を含み、前記矩形ループおよび当該少なくとも第１のキャパシタは、予め選択された特性周波数で前記第１のワイヤレス電力伝送共振器が共振することを確保するために、予め選択される、請求項１０乃至１５の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項１７】
前記第１のワイヤレス電力伝送共振器の各々の前記予め選択された特性周波数は、前記アレイ内のそれぞれの前記タイルの位置に少なくとも部分的に基づいて予め選択され、
前記アレイのコーナーに位置するタイルは、第１の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有し、
前記アレイの内部に位置するタイルは、第２の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有し、
コーナータイルではない前記アレイの側面に沿って位置するタイルは、第３の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有し、
コーナータイルではない前記アレイの側面に沿って位置する、１つのみの他のタイルに隣接するタイルは、第４の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有する、請求項１０乃至１６の何れかに記載のアレイ。
【請求項１８】
前記第１、第２、第３および第４の特性周波数は、実質的に一定の電磁界が前記アレイにわたって存在することを確保にするために、予め選択される、請求項１０乃至１６の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項１９】
前記アレイの少なくとも第２のタイルは、その上に配された第２のワイヤレス電力伝送共振器を有し、前記第２のタイルに配された前記第１および第２のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味（net）の磁束が前記第２のタイルを通過することを確保する、請求項１０乃至１８の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２０】
前記第１および第２のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味の磁束が前記第２のタイルを通過することを確保するクロスオーバジャンクションによって互いに結合される、請求項１０乃至１９の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２１】
前記アレイの少なくとも第３のタイルは、その上に配された少なくとも第２、第３および第４のワイヤレス電力伝送共振器を有し、前記第３のタイルに配された前記第１、第２、第３および第４のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味の磁束が前記第３のタイルを通過することを確保するクロスオーバジャンクションによって互いに結合される、請求項１０乃至１９の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２２】
少なくとも第２のワイヤレス電力伝送共振器に電気的に結合された少なくとも第２のＲＦ電源をさらに含み、前記第２のＲＦ電源は、当該第２のワイヤレス電力伝送共振器が中または上に配される前記タイル内の上または前記タイル内に配され、前記第１および第２のＲＦ電源は、予め選択された距離によって互いに分離されている、請求項１０または１１の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２３】
タイルの前記アレイ内の隣接するタイルは、予め選択されたギャップによって互いに分離されており、前記予め選択されたギャップは、前記隣接するタイルの前記ワイヤレス電力伝送共振器の間の十分に強い相互インダクタンスを確保するために予め選択される、請求項１０に記載のアレイ。
【請求項２４】
各矩形ループは、前記ギャップの前記サイズの公差に少なくとも部分的に基づいて予め選択された幅を有する、請求項１０乃至１６に記載のアレイ。
【請求項２５】
前記第１および第２のＲＦ電源は、互いに同相である、請求項１０乃至２１の何れか１項に記載のアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年４月２０日に出願され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる“ＴＩＬＥＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＢＵＩＬＴ−ＩＮ  ＷＩＲＥＬＥＳＳ  ＰＯＷＥＲ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＴＲＡＮＳＭＩＴＴＥＲ  ＡＮＤ  ＲＥＣＥＩＶＥＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ”と題する米国仮出願第６２／６６０，４４８号の出願日の利益および優先権を主張する非仮ＰＣＴ国際出願である。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレス電力伝送は、人工の導体を使用して電源を電気的負荷に接続することなく、電源から電気的負荷に電気的エネルギを送信する。ワイヤレス電力伝送システムは、送信機と１つ以上の受信デバイスとを含む。送信機は、電力源に電気的に結合され、電力を時間変動電磁（ＥＭ）界に変換する。１つ以上の受信デバイスは、ＥＭ界を介して電力を受信し、受信した電力を変換し、受信デバイスの一部または受信デバイスに電気的に結合されている電気的負荷によって利用される電流に戻す。
【０００３】
本出願の発明者らは、ワイヤレス電力伝送エリアで使用するための可変フォームファクタ送信機および受信デバイスを含むワイヤレス電力伝送システムに関する米国非仮出願を発明し、先に出願している。例えば、２０１６年１０月１８日に出願された米国出願第１５／２９６，７０４号（以下、'７０４号という）は、本願と同一の発明者により、“ＷＩＲＥＬＥＳＳ  ＰＯＷＥＲ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＴＯ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＲＥＣＥＩＶＥＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＡＣＲＯＳＳ  Ａ  ＶＡＲＩＡＢＬＥ−ＳＩＺＥＤ  ＡＲＥＡ”と題し、そのような送信機および受信デバイスを開示している。
【０００４】
このような可変フォームファクタ送信機の形状およびサイズは、特定の特性周波数を達成しながら、実質的に任意のサイズおよび形状の無線電力伝送エリアに対応するように変化させうる。送信機は、送信機に電気的に結合されたラジオ周波数（ＲＦ）電源から、送信機によって生成された近接ＥＭ界を介して、ワイヤレス伝送電力エリアにわたってＲＦ電力を送信するように構成される。
【０００５】
ワイヤレス電力伝送エリアで動作する受信デバイスは、近接ＥＭ界から電力を受信するために、送信機が動作している特性周波数で共振するように構成される。受信デバイスは、近接ＥＭ界から受信した電力を、受信デバイスの一部または受信デバイスに電気的に結合されている電気的負荷に電力を供給するために使用できる電流に変換する。
【０００６】
上述したワイヤレス電力伝送技術の１つの潜在的な用途は、照明用途である。例えば、受信デバイスは、'７０４号に開示されるように、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）にＤＣ電流を供給するように構成されうる。そのような場合、ワイヤレス電力伝送エリアは、例えば、天井および天井の少し上下を横方向にわたって延在してもよい。ＬＥＤを組み込んだ受信デバイスは、部屋の照明を提供するために、床に面する天井の側面に配されてもよい。
【０００７】
このような照明用途に関する１つの困難は、天井（例えば、アルミニウムストラット）の中、上、または、上方に、しばしば導電性のフィーチャまたはデバイスが存在し、そこには、送信機によって生成されるＥＭ界によって渦電流が誘起されうることである。これらの渦電流は、ＥＭ界を部分的または全面的に遮断しうり、それによって、ＬＥＤ照明ソリューションの有効性を低減させる。同様の困難は、照明用途が床、壁、中庭、歩道、道路などを含む場合にも生じうる。本質的に、受信機および照明ソリューションが取り付けられる表面が、渦電流が誘起されうる導電性要素（例えば、金属配管パイプ、金属ストラット、アルミニウムスタッドなど）のネットワークに隣接する任意の場所で、問題は生じうる。
【０００８】
ワイヤレス電力照明ソリューションが提案されているが、それらはＥＭ界内の金属物体の渦電流に起因する問題を考慮していないため、部分的にのみ効果的である。例えば、Ｋｅｓｌｅｒらの米国特許出願公開２０１４／００２１７９８号は、例えば、壁、床、天井、パーティション壁カバーなど種々の構造にワイヤレス共振器を構築することを提案しているが、渦電流に関する問題は考慮していない。
【０００９】
そのような照明用途に関するさらに別の問題は、例えば、アレイを形成する床タイルまたは天井タイルにワイヤレス伝送技術が組み込まれる場合、異なる数の最近接タイルを有するアレイ内の異なる位置にあるタイルのために、ＥＭ界が均一ではないことである。タイルの上に位置する共振器は、主に最近接タイルと誘導結合する。したがって、異なる数の最近接物を有するタイルは、それらが内部タイル（４つの最近接物）、端部タイル（３つの最近接物）、または、コーナータイル（２つの最近接物）の何れであるかに応じて、異なる量の誘起されたＥＭＦを有することになる。アレイ全体にわたって均一なＥＭ界の大きさを維持するためには、これらの差が考慮されなければならない。Ｋｅｓｌｅｒらに開示されているものを含め、提案されているワイヤレス電力照明ソリューションは、これらの差を考慮していない。その結果、提案されている既知の技術を使用して作成されたアレイは、機能していても完全に効果的ではない。
【００１０】
ワイヤレス電力伝送技術を利用し、渦電流で上述した困難を克服し、均一なＥＭ界を維持する照明ソリューションのためのニーズが存在する。
【発明の概要】
【００１１】
本明細書に開示される発明の原理および概念によれば、前面および裏面を有する基板と、タイル内またはタイルの上に配されたワイヤレス電力伝送共振器と、タイル内またはタイルの上に配されたワイヤレス電力受信デバイスと、を含むタイルが提供される。
【００１２】
別の態様によれば、タイルは、ワイヤレス電力受信デバイスに電気的に結合され、かつ、タイルの前面に取り付けられた電気デバイスをさらに含む。電気デバイスは、ワイヤレス電力受信デバイスによって給電される。別の態様によれば、電気デバイスは、電気照明デバイスである。別の態様によれば、電気デバイスは、電気検出デバイスである。
【００１３】
別の態様によれば、タイルは、吊り天井（dropped ceiling）を形成する際に使用するために適合されたドロップアウトタイルである。
【００１４】
別の態様によれば、タイルは、ワイヤレス電力伝送共振器に電気的に結合され、かつ、タイルの上にまたはタイル内に配されたワイヤレスラジオ周波数（ＲＦ）電源をさらに含む。
【００１５】
上述の態様の１つ以上によれば、ワイヤレス電力伝送共振器は、タイルの第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれ隣接して延びる第１、第２、第３および第４のセグメントを有する導電性材料の矩形ループと、少なくとも、矩形ループの両端に電気的に結合された第１のキャパシタと、を含む。矩形ループおよび少なくとも第１のキャパシタは、予め選択された特性周波数でワイヤレス電力伝送共振器が共振することを確保にするために、予め選択される。
【００１６】
上述の態様の１つ以上によれば、ワイヤレス電力受信デバイスは、予め選択された特性周波数で共振する。
【００１７】
上述の態様の１つ以上によれば、ワイヤレス電力伝送共振器は、タイルの裏面に配される。
【００１８】
別の態様によれば、各タイルが少なくとも１つの隣接するタイルを有するように配されたタイルのアレイが提供され、アレイの各タイルは、前面および裏面を有する基板と、それぞれのタイル内またはタイルの上に配された第１のワイヤレス電力伝送共振器と、を含む。
【００１９】
タイルのアレイの１つの態様によれば、第１のワイヤレス電力伝送共振器のうち少なくとも１つは、第１のワイヤレス電力伝送共振器が配されたタイルの上またはタイル内に配された第１のＲＦ電源に電気的に結合される。
【００２０】
タイルのアレイの１つの態様によれば、アレイの少なくとも１つのタイルは、タイル内またはタイルの上に配された第１のワイヤレス電力受信デバイスと、
第１のワイヤレス電力伝送受信デバイスに電気的に結合され、かつ、タイルの前面に取り付けられた電気デバイスをさらに含む。電気デバイスは、第１のワイヤレス電力伝送受信デバイスによって給電される。タイルのアレイの１つの態様によれば、電気デバイスは、電気照明デバイスである。タイルのアレイの別の態様によれば、電気デバイスは、電気検出デバイスである。
【００２１】
タイルのアレイの１つの態様によれば、アレイの各タイルは、吊り天井を形成する際に使用するために適合されたドロップアウトタイルである。
【００２２】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、第１のワイヤレス電力伝送共振器のそれぞれは、タイルの第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれ隣接して延びる第１、第２、第３および第４のセグメントを有する導電性材料の矩形ループと、少なくとも、矩形ループの両端に電気的に結合された第１のキャパシタと、を含む。矩形ループおよび少なくとも第１のキャパシタは、予め選択された特性周波数で第１のワイヤレス電力伝送共振器が共振することを確保にするために、予め選択される。
【００２３】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、第１のワイヤレス電力伝送共振器のそれぞれの予め選択された特性周波数は、アレイ内のそれぞれのタイルの位置に少なくとも部分的に基づいて予め選択される。アレイのコーナーに位置するタイルは、第１の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有する。アレイの内部に位置するタイルは、第２の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有する。コーナータイルではないアレイの側面に沿って位置するタイルは、第３の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有する。コーナータイルではないアレイの側面に沿って位置する、１つのみの他のタイルに隣接するタイルは、第４の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有する。
【００２４】
タイルのアレイの他の態様によれば、第１、第２、第３および第４の特性周波数は、実質的に一定の電磁界がアレイにわたって存在することを確保にするために、予め選択される。
【００２５】
タイルのアレイの他の態様によれば、アレイの少なくとも第２のタイルもまた、その上に配された第２のワイヤレス電力伝送共振器を有する。第２のタイルに配された第１および第２のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味（net）の磁束が第２のタイルを通過することを確保する。
【００２６】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、第１および第２のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味の磁束が第２のタイルを通過することを確保するクロスオーバジャンクションによって互いに結合される。
【００２７】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、アレイの少なくとも第３のタイルは、その上に配された第２、第３および第４のワイヤレス電力伝送共振器を有する。第３のタイルに配された第１、第２、第３および第４のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味の磁束が第３のタイルを通過することを確保するクロスオーバジャンクションによって互いに結合される。
【００２８】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、アレイは、少なくとも第２のワイヤレス電力伝送共振器に電気的に結合された少なくとも第２のＲＦ電源をさらに含む。第２のＲＦ電源は、第２のワイヤレス電力伝送共振器が中または上に配されるタイルの上またはタイル内に配される。第１および第２のＲＦ電源は、予め選択された距離によって互いに分離されている。
【００２９】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、タイルのアレイ内の隣接するタイルは、隣接するタイルのワイヤレス電力伝送共振器の間の十分に強い相互インダクタンスを確保するために予め選択された、予め選択されたギャップによって互いに分離されている。
【００３０】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、各矩形ループは、ギャップのサイズの公差に少なくとも部分的に基づいて予め選択された幅を有する。
【００３１】
タイルのアレイの上述の態様の１つ以上によれば、第１および第２のＲＦ電源は、互いに同相である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本開示の多くの態様は、以下の図面を参照することによって、よりよく理解されうる。図面中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本開示の原理を明確に示すことに重点を置いている。さらに、図面において、同様の参照番号は、いくつかの図を通して対応する部分を示す。
【００３３】
【図１】図１は、１つ以上のワイヤレス電力受信デバイスを有するワイヤレス電力伝送エリアにわたってワイヤレス電力伝送のためにＲＦ電源から電力を受信する可変フォームファクタワイヤレス電力送信機を含むワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。
【００３４】
【図２】図２は、本発明の１つ以上の実施形態による、受信デバイスの例の概略図を示す。
【００３５】
【図３】図３は、本発明の１つ以上の実施形態による、別の受信デバイスの例の概略図を示す。
【００３６】
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、代表的な実施形態による、ワイヤレス電力伝送技術を内蔵した天井タイルの裏面図および前面図をそれぞれ示す。
【００３７】
【図５】図５は、各天井タイルがワイヤレス電力共振器を組み込んだ１つの実施形態による、天井タイルのアレイの平面図を示す。
【００３８】
【図６】図６は、各セルがゼロの正味の束を生成するようにクロスオーバジャンクションによって相互接続された２つの同一の共振器を有する１つの実施形態による、天井タイルのアレイの平面図を示す。
【００３９】
【図７】図７は、各セルがゼロの正味の束を生成するようにクロスオーバジャンクションによって相互接続された４つの同一の共振器を有する１つの実施形態による、２'×２'の天井タイルのアレイの平面図を示す。
【００４０】
【図８】図８は、全ての共振器が同じ特性周波数を有し、ＥＭ界の振幅がアレイにわたって実質的に一定であることを確保するためのステップが考慮されない場合に、各共振器の中心で測定される電磁界の二乗強度のプロットを示す。
【００４１】
【図９】図９は、電磁界がタイルのアレイにわたって均一な場合の電磁界の二乗強度のプロットを示す。
【００４２】
【図１０】図１０は、アレイ全体にわたって均一な場の大きさの基本モードに対する電磁界の二乗強度のプロットを示す。
【００４３】
【図１１】、
【図１２】、
【図１３】図１１〜１３は、アレイの第１、第２および第３の倍音に対する電磁界の二乗強度を示す。
【００４４】
【図１４】図１４は、２つの隣接するタイルと、それぞれ共振器を含むループの隣接する部分を分離する小さなギャップと、を示す。
【００４５】
【図１５】図１５は、図４Ａおよび４Ｂに示される共振器において使用されてもよいタイプの隣接する２つの導電性のループが、小さなギャップによって分離された平坦な導電性のリボンで作られた場合のシミュレーションを示している。
【００４６】
【図１６】図１６は、２つのループの間のギャップの関数として、図１５に示される２つの正方形のループの間の結合係数ｋの近似シミュレーションのプロットを示す。
【００４７】
【図１７】図１７は、ギャップ幅の変化に対する結合係数の感度のプロットを示す。
【００４８】
【図１８】図１８は、Ｑ＝４００の場合のλとｋとの関係をプロットしたもので、ｋの大きさがゼロに近づくにつれて、電力が伝送されうる距離がゼロに近づくため、ｋの小さい大きさは望ましくないことを実証している。
【００４９】
【図１９】図１９は、隣接する正方形のループの間の誘導結合を向上するために、正方形のループの中心に平坦な導体をそれぞれ有する２つの隣接する共振器の正方形のループを描写する。
【００５０】
【図２０】図２０は、タイルの共振器を駆動するための４つのＲＦ増幅器を有する図４Ａおよび４Ｂに示されるタイルのアレイの平面図を示す。
【００５１】
【図２１】図２１は、注入位相同期によって位相がロックされた２つの同一のＲＦ電力源を示す概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本明細書に記載される代表的な実施形態によれば、タイルのワイヤレス電力送信機または共振器からタイルのワイヤレス電力受信デバイスに電力をワイヤレスで伝送することを可能にする内蔵ワイヤレス電力伝送技術を備えるタイルが提供される。タイルは、典型的にタイルのアレイとして配される。アレイの１つ以上のタイルは、タイルの前面の上に配された１つ以上の照明デバイスを含むか、または、電気的に結合されたワイヤレス電力受信デバイスを含む。アレイの各タイルは、ワイヤレス電力伝送送信機または共振器を有する。ワイヤレス電力伝送送信機または共振器のうち少なくとも１つは、ＲＦ電源に電気的に結合される。各タイルによって生成されるＥＭ界は、アレイ全体にわたって電力を結合するために、そのタイルからアレイの最近傍のタイルに誘導結合される。
【００５３】
内蔵ワイヤレス電力伝送技術を有するタイルを説明する前に、代表的な実施形態による、タイルに組み込むのに適切なワイヤレス電力送信機およびワイヤレス電力受信デバイスの例の説明が提供される。本発明の原理および概念は、ワイヤレス電力送信機および受信デバイスのこれらの特定の構成に限定されるものではなく、本明細書に提供される説明を考慮して当業者によって理解されるように、他の構成も使用されうることに注意すべきである。
【００５４】
図１は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦとしてラベル付けされた円形アイコンとして示される、その中に配された１つ以上のワイヤレス電力受信デバイスを有するワイヤレス電力伝送エリア１０１にわたるワイヤレス電力伝送のために、ＲＦ電源１０８（例えば、ＲＦ増幅器）から電力を受信するワイヤレス電力送信機１０２を含むワイヤレス電力伝送システム１００のブロック図である。これらの構成要素の各々が、以下に説明される。
【００５５】
本発明の１つ以上の実施形態において、ワイヤレス電力伝送エリア１０１は、１つ以上の受信デバイスが送信機１０２から電力を受信する任意の３次元（３−Ｄ）の物理的な空間である。以下に説明する代表的な実施形態によれば、ワイヤレス電力伝送エリア１０１は、ワイヤレス電力伝送技術を組み込んだ天井タイルがワイヤレス電力伝送エリア内にあるように、天井および天井の少し上下にわたって互いに垂直である少なくとも第１および第２の方向に横方向に延在する３−Ｄ空間を含む。
【００５６】
本発明の１つ以上の実施形態において、受信デバイス（Ａ）から（Ｆ）が、以下でより詳細に説明するように、天井タイル内または天井タイルの上に配される。上述したように、受信デバイスは、受信デバイスによって受信される電力によって電力を供給される１つ以上の電気デバイスを含むか、または、電気的に結合される。電気デバイスは、本明細書に記載される電気的電力伝送技術を使用することによって、有益に電力を供給されうる任意のタイプの電気デバイスであってもよい。この目的のために使用される典型的な電気デバイスは、天井タイルの前面に配された照明デバイスおよび検出デバイスである。送信機１０２の近傍電磁界の性質に基づいて、受信デバイスの何れによって受信されない近傍電磁界の電力は、送信機１０２およびＲＦ電源１０８に戻される。これは、電力が放射され、その結果、ワイヤレス電力伝送には生産的でないエネルギ損失が生じる遠方電磁界とは対照的である。受信デバイスの例が、図２および３を参照して以下に説明される。
【００５７】
本発明の１つ以上の実施形態において、送信機１０２は、少なくとも１つのキャパシタ１０３を含む。例示的な目的のために、送信機１０２は、分布キャパシタのストリングを有するものとして図１に示されている。分布キャパシタのストリングは、電源１０８によって生成されたＲＦ電流１０５を伝導するために直列に接続された複数のキャパシタ−ワイヤセグメントを含む。ＲＦ電流１０５は、ワイヤレス電力伝送エリア１０１の全体にわたって存在する磁界（例えば、磁界１０６）を誘起する。１つ以上の実施形態において、ＲＦ電流１０５は、端子Ａおよび端子Ｂでワイヤに入る／出る。１つ以上の実施形態において、可変フォームファクタ送信機１０２の動作を妨げることなく、追加の介在構成要素（図示せず）もまた、キャパシタ−ワイヤセグメントの系に挿入されてもよく、または、キャパシタ−ワイヤセグメントの系と１つ以上の端子（例えば、端子Ａ、端子Ｂ）との間に挿入されてもよい。
【００５８】
１つ以上の実施形態において、各キャパシタ−ワイヤセグメントは、ワイヤセグメント（例えば、ワイヤセグメント１０４）に接続されたキャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）を含む。１つ以上の実施形態において、送信機１０２内の各キャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）は、ワイヤレス電力伝送エリア１０１内に送信機１０２を配する前に決定される、その中の任意の他のキャパシタと同じ公称容量値を有する。例えば、送信機１０２内のキャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）は、ユーザが送信機１０２を使用してワイヤレス電力伝送エリア１０１内においてワイヤレスで電力を提供する前に、工場で取り付けられてもよい。キャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）は、例えば、セラミックキャパシタ、フィルムおよび紙キャパシタ、電解質キャパシタ、ポリマキャパシタ、銀マイカキャパシタなど、適切なタイプのものであってもよい。１つ以上の実施形態において、１つ以上のキャパシタは、アルミニウムまたは金属酸化物層によって分離された２つのアルミニウムまたは他の金属のシート、箔またはフィルムを含んでいてもよい。工場製造プロセスにおいて典型的であるように、送信機１０２内のすべてのキャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）の容量値は、例えば、製造公差に起因して、ある範囲（キャパシタンス範囲と呼ばれる）内で変化してもよい。
【００５９】
１つ以上の実施形態において、各キャパシタ−ワイヤセグメントは、所定のセグメント長と、単位長さあたりの所定のインダクタンスと、を有するワイヤセグメントを含む。例えば、可変フォームファクタ送信機１０２内のワイヤセグメント（例えば、ワイヤセグメント１０４）は、ユーザが可変フォームファクタ送信機１０２を使用してワイヤレス電力伝送エリア１０１内にワイヤレスで電力を提供する前に、工場で取り付けられてもよい。ワイヤセグメント（例えば、ワイヤセグメント（１０４））は、例えば、銅、アルミニウムまたは他の適切な金属および／または合金材料で作られた、絶縁または非絶縁ワイヤ、シート、箔またはフィルムなど、適切なタイプのものであってもよい。工場製造プロセスにおいて典型的であるように、可変フォームファクタ送信機１０２内の各およびすべてのワイヤセグメント（例えば、ワイヤセグメント１０４）の長さおよびインダクタンス値は、例えば、製造公差に起因して、ある範囲（長さ範囲およびインダクタンス範囲と呼ばれる）内で変化してもよい。
【００６０】
電界を閉じ込めることによって、送信機１０２内のキャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）は、漂遊電界およびその結果生じるワイヤセグメント（例えば、ワイヤセグメント１０４）の誘起電圧を低減する。その結果、送信機１０２内のキャパシタ（例えば、キャパシタ１０３）は、システム１００内の全エネルギにわたって、ワイヤセグメント（例えば、ワイヤセグメント１０４）の浮遊容量に蓄積されるエネルギの割合を低減する。浮遊容量に関する誘起電圧および蓄積エネルギの両方の低減は、環境相互作用に起因する損失を低減し、ユーザに対する安全性を向上する。
【００６１】
本発明の１つ以上の実施形態において、送信機１０２は、少なくとも所定のキャパシタンス、所定のセグメント長、および、単位長あたりの所定のインダクタンスに基づく特性周波数に関連付けられる。この文章の全体にわたって、“特性周波数”および“共振周波数”の用語は、文脈に応じて交換可能に使用されてもよい。
【００６２】
１つ以上の実施形態において、電源１０８への直接接続の代わりに、送信機１０２は、駆動ループ（図示せず）を介して誘導結合を使用して、電源１０８から電力を受信する。換言すると、電源１０８は、送信機１０２と直接結合されていてもよいし、誘導結合されていてもよい。
【００６３】
図２は、本発明の１つ以上の実施形態による、受信デバイスＡ５００ａの例の概略図である。１つ以上の実施形態において、図２に示されるモジュールおよび素子の１つ以上が、省略、繰り返し、および／または、置換されてもよい。その結果、本発明の実施形態は、図２に示されるモジュールの特定の配置に限定されると考えられるべきではない。
【００６４】
この代表的な実施形態によれば、受信デバイスＡ５００ａは、この代表的な実施形態において円形パターンで配された複数のＬＥＤ５０２である照明ソリューションを含む。ＬＥＤ５０２は、ＬＥＤストリングを形成するために並列に接続される。受信デバイスＡ５００ａは、わずか１つのＬＥＤ５０２しか有していなくてもよいことに注意すべきである。ＬＥＤストリングの両端は、ループを形成するために整流回路Ａ５０ｌａに接続される。例えば、ループは、図１に描写されるワイヤレス電力伝送エリア１０１内で使用されるモバイルＬＥＤ照明デバイスとして使用される円形ループであってもよい。本発明の１つ以上の実施形態において、整流回路Ａ５０ｌａは、キャパシタＣ１、Ｃ２およびＣ３と、整流ダイオードＤ１およびＤ２と、を含む。受信デバイスＡ５００ａが振動磁界の存在下にある場合、ＬＥＤストリングのループを通る変化する磁束は、ＬＥＤストリングの両端の間に電圧差を誘起する。誘起された電圧差は、時間とともに振動する。キャパシタＣ３は、誘起された振動電圧を高めるために、ＬＥＤストリングを振動磁界と共振させるように調整される。整流ダイオードＤ１およびＤ２は、誘起された振動電圧を整流して、ＬＥＤストリングの外側ワイヤ５０３ａと内側ワイヤ５０３ｂとの間にＤＣ電圧差を生じさせ、それによって、並列接続されたＬＥＤ５０２に電力を届ける。キャパシタＣ１およびＣ２は、ＬＥＤストリングの外側ワイヤ５０３ａおよび内側ワイヤ５０３ｂがＲＦ電流に短絡されているように見えることを維持するために、ＲＦバイパスキャパシタとして機能する。受信デバイスＡ５００ａの構成は、整流ダイオードＤ１またはＤ２と直列に配置されたＬＥＤにわたって結合順方向電圧降下によってループ電圧を制限し、これにより、ユーザに対する安全性が改善される。
【００６５】
図３は、１つ以上の実施形態による、追加の受信デバイス５００ｄの例の概略図を示す。インダクタＬは、キャパシタＣ１およびＣ２と共に、図１を参照して説明した送信機１０２およびＲＦ電源１０８の特性周波数で共振するようにチューニングされるが、受信デバイス５００ｄは、送信機１０２および／またはＲＦ電源１０８と共に使用されることに限定されない。キャパシタＣ１の値は、共振受信機とＬＥＤ負荷との間のインピーダンス整合を提供するように選択される。ブリッジ整流器は、キャパシタＣ１に存在するＲＦ電圧を、ＬＥＤを駆動するＤＣ電圧に変換する。例えば、ＬＥＤは、装飾的な発光ダイオード（ＬＥＤ）のストリングに対応してもよい。
【００６６】
図１および２は、それぞれ、１つの実施形態による、タイルに組み込まれてもよい、ワイヤレス電力送信機１０２およびワイヤレス電力受信デバイス５００ａの例を示す。図３は、それぞれ、１つの実施形態による、タイルに組み込まれてもよいワイヤレス電力受信デバイス５００ｄの別の例を示す。しかしながら、より詳細に以下に説明するように、タイルと共に典型的に使用される送信機は、１つ以上のキャパシタを有し、わずか単一のキャパシタしか有していなくてもよい。送信機の構成は、得られる特性周波数だけでなく、より詳細に以下に説明するように、例えば、隣接するタイル間の間隔など、他のファクタにも依存する。
【００６７】
上述のように、ワイヤレス電力伝送技術を利用する照明用途に関する１つの困難は、天井（例えば、アルミニウムストラット）の中、上、または、上方に、しばしば導電性のフィーチャまたはデバイスが存在し、そこには、送信機によって生成されるＥＭ界によって渦電流が誘起されうることである。これらの渦電流は、送信機によって生成されるＥＭ界を無効にしうる、または、劣化させうる、それ自体のＥＭ界を生成する。以下は、ワイヤレス電力伝送技術が天井タイルに組み込まれる場合の、この問題に対するソリューションを提供する。
【００６８】
図４Ａおよび４Ｂは、代表的な実施形態による、吊り天井（dropped ceiling）で使用するための天井タイル６００の裏面図および前面図をそれぞれ示す。天井タイル６００は、例えば、ビニルまたはポリスチレンなどの、既知の材料で作られた既知のタイプのドロップアウト天井タイルであってもよい。このような天井タイルは、典型的に、２'×４'または２'×２'タイルとして製造される。例示的な目的のために、天井タイル６００は、２'×４'天井タイルであると仮定する。
【００６９】
天井タイル６００は、その裏面６００ａに配されたワイヤレス電力共振器６０１と、その前面６００ｂに配されたワイヤレス電力受信デバイス６０２と、を有する。この実施形態において、前面６００ｂは、典型的に天井を含む建物の床と向かい合っている。ワイヤレス電力共振器６０１は、ワイヤレス電力共振器６０１がそれ自体のＲＦ電源に電気的に結合される必要がなく、共振器６０１のフォームファクタが、固定され、かつ、タイル６００のそれぞれの側面に隣接する側面を有する矩形ループであることを除いて、図１に示される送信機１０２と同様または同一であってもよい。この実施形態によれば、共振器は、単一のキャパシタ６０３を有する。共振器６０１の矩形ループは、例えば銅などの導電性材料を含み、上述のプロセスの何れかによって形成されてもよい。ワイヤレス電力共振器６０１は、例えば、特定の構成および寸法を有するフレックス回路など、典型的に、固定のフォームファクタを有することになる。この実施形態によれば、共振器６０１は、共振器６０１を含む矩形ループのインダクタンスとキャパシタ６０３のキャパシタンスとに基づく予め選択された特性周波数を有する。当業者に理解されるように、矩形ループ６０４の幅、長さ、および／または、高さは、特定のインダクタンス値を有するように予め選択されうり、キャパシタ６０３は、特定の容量値を有するように選択されうる。したがって、共振器６０１を含む矩形ループの構成の予めの選択と、適切な容量値を有するキャパシタ６０３の予めの選択と、を通して、共振器６０１の特性周波数は予め選択されうる。
【００７０】
複数のタイル６００は、そのような吊り天井が現在組み立てられているのと同じ方法でアレイを形成するように、グリッドパターンで互いに横方向に隣接して配されてもよい。しかしながら、タイル６００のアレイは、任意の所望のパターンであってもよく、任意の形状を有してもよいことに注意すべきである。アレイのタイル６００のうちの少なくとも１つの共振器６０１のうちの少なくとも１つは、共振器６０１にＥＭ界を生成させるために、ＲＦ電源（図示せず）に電気的に結合されることになる。次いで、ＥＭ界は、アレイ全体にわたって１つのタイル６００から次のタイルへ誘導結合されることになる。しかしながら、上述のように、ＥＭ界の振幅が、アレイにわたって実質的に一定のままであることを確保するためのステップが考慮されるべきである。それが達成される方法もまた、以下に詳細に説明される。
【００７１】
図５は、各天井タイル６００がワイヤレス電力共振器６０１を組み込んだ１つの実施形態による、天井タイル６００のアレイ６１０の平面図を示す。各タイル６００は、また、ワイヤレス電力受信デバイスを組み込んでいるが、ワイヤレス電力受信デバイスは磁束線６０４の方向を示すために省略されている。説明を容易にするために、各共振器６０１は、矩形ループの端部を相互接続するキャパシタ６０３を備えた矩形ループによって示される。しかしながら、他の実施形態において、矩形ループが、図１に示されるワイヤセグメント１０４によって分離されたキャパシタ１０３の構成を有していてもよい。図１に示す送信機１０２を参照して上述したように、共振器６０１の特性周波数は、少なくとも所定のキャパシタンス、所定のセグメント長、および、単位長あたりの所定のインダクタンスに基づく。受信デバイス（図示せず）は、特性周波数にチューニングされる。より詳細に後述するように、共振器６０１の一部は、ＥＭ界の大きさがアレイ６１０にわたって実質的に一定であることを確保するために、アレイ内のそれらの位置に応じて、異なる特性周波数を有していてもよい。
【００７２】
典型的であるように、天井タイル６００は、矩形グリッドを形成するアルミニウムストラット６２１によって支持される。これらのストラット６２１は導電性であり、これらは接合部において電気的に接続される。このグリッド内のセルを通過する任意のＥＭ界は、その場に対向することになるストラット６２１内に渦電流を生成することになる。１つの実施形態によると、共振器６０１は、グリッド内の各セルが通過する正味（net）の磁束がゼロになるように配される。これは、一対の同一の共振器６０１を各セル内に設置することによって達成することができる（なぜなら、隣接する共振器は、アレイがその最低周波数（すなわち、基本モード）で駆動されるとき、反対方向を指す磁界を有するからである）。
【００７３】
図６は、各セルがゼロの正味の束を生成するようにクロスオーバジャンクション６３１によって相互接続された２つの同一の共振器６０１を有する１つの実施形態による、天井タイル６００のアレイ６３０の平面図を示す。
【００７４】
図７は、各セルがゼロの正味の束を生成するようにクロスオーバジャンクション６４１によって相互接続された４つの同一の共振器６０１を有する１つの実施形態による、２'×２'の天井タイル６００のアレイ６４０の平面図を示す。
【００７５】
同一の共振器６０１の矩形アレイは、その固有モードの１つで自由に振動する場合、均一な振幅のＥＭ界を有することはない。これは、受信デバイスに利用可能な電力がアレイにわたって均一になることなく、タイルごとに変化することになるため、ワイヤレス電力伝送に望ましくない。同一の共振器６０１のアレイにおいて、アレイの端部およびコーナーの共振器６０１のＥＭ界は、異なる数の最近接物を有するそれらのタイルに起因して、ゼロに近い振幅を有することになる。
【００７６】
図８は、全ての共振器６０１が同じ特性周波数を有し、ＥＭ界の振幅がアレイにわたって実質的に一定であることを確保するためのステップが考慮されない場合に、各共振器６０１の中心で測定されるＥＭ界の二乗強度のプロットを示す。共振器６０１によって生成されるＥＭ界の振幅は、位置によって滑らかに変化し、アレイの中心付近で最大値に達することになる。隣接する共振器６０１間の誘導結合に起因して、各共振器６０１の固有共振周波数に対する適切な選択は、その最近接物の数に基づいて決定される。ｎを最近接物の数とし、ｋを結合係数とし、ｆ０をアレイ全体の所望の発振周波数とする。各タイルの固有共振周波数ｆは、次のようにチューニングされるべきである：
2021521766.tif 000003
【００７７】
矩形グリッドの場合、共振器６０１には、内部の共振器（４つの最近接物）、端部の共振器（３つの最近接物）、および、コーナーの共振器（２つの最近接物）の３つの異なるタイプがある。共振器６０１が式（１）に従ってチューニングされる場合、共振器６０１の振幅は、図８に示されるように、アレイが周波数ｆ０で駆動されるときに、アレイにわたって均一になる。これは、図７に示すように、すべての共振器が同一の共振周波数を有する場合と比較することができる。周波数ｆ０は、アレイの基本モードの周波数に対応することに注意すべきである。これが重要である理由は、図１０〜１３を参照して以下に説明される。
【００７８】
図９は、電磁界がタイルのアレイにわたって均一な場合のＥＭ界の二乗強度のプロットを示す。共振器６０１のアレイは、定在波モードの系を有することになる。図１０〜１３は、各共振器６０１の中心で測定されたＥＭ界の二乗強度のプロットである。基本モードは、図１０に示されるように、アレイ全体にわたって均一な場の大きさを有する。図１１〜１３から、基本モードにおいて、ＥＭ界の方向が、隣接する共振器では逆であることがわかる。しかしながら、倍音は、場の振幅がゼロである節線を有する。アレイが基本以外の任意の倍音に対応する周波数で駆動される場合、アレイはこれらの節線を有する。これは、節線上に配置された受信デバイスが電力を全く受信しなくなるため、ワイヤレス電力用途には望ましくない。この問題は、式（１）に従って共振器６０１をチューニングし、基本モードの周波数である周波数ｆ０でアレイを駆動することによって避けられる。
【００７９】
解決される必要のある別の問題は、アレイが基本駆動周波数の高調波を伝搬することを可能にしうるということである。アレイは、ｆ０からｆ０√（１−４ｋ）／（１＋４ｋ）の範囲の共振帯域を有し、ここで、−１／４＜ｋ＜０である。アレイは、周波数ｆ０で１つ以上のＲＦ増幅器によって駆動される。システムに接続されたに任意のＲＦ増幅器は、ｆ０の整数倍のいくつかの高調波を生成する。これらの高調波が、アレイを通る波として伝搬することができる場合、意図しない周波数の望ましくない送信に起因して、他の電子デバイスと干渉を起こす原因になりうる。
【００８０】
ｆ０の高調波は、最低周波数の高調波が共振帯域の上端よりも高い場合、すなわち、以下が満たされる場合、アレイを通り伝播しない：
2021521766.tif 000004
−０．１５＜ｋ＜０の場合、満たされる。
【００８１】
式（２）を満たす場合、アレイは、駆動周波数の高調波の伝搬を抑制することになる。これは、駆動波形の純度を高め、意図しない干渉を防止することを助けることになる。
【００８２】
アレイにおいて、電力が隣接する共振器６０１間の相互インダクタンスを通して、共振器６０１から共振器６０１に結合される。結合が強ければ強いほど、電力伝送はより効果的になる。隣接する共振器間の相互インダクタンスＭは、ｋＬに等しく、ここで、ｋは無次元結合係数であり、Ｌは各共振器６０１の自己インダクタンスである。電力が伝搬できる距離は、ｋの大きさが大きくなるとともに大きくなる。結合係数の大きさは、各共振器ループを構成するワイヤをできるだけその隣接物に近づけることによって最大にしてもよい。正方形のグリッドの場合、これは、共振器６０１がワイヤまたはリボンの間のギャップをできるだけ小さくし、ワイヤまたは金属リボンの正方形のループとして成形されることを意味する。
【００８３】
図１４は、２つの隣接するタイル６００と、それぞれ共振器を含むループ６０１ａおよび６０１ｂの隣接する部分を分離する小さなギャップ６５０と、を示す。ギャップ６５０が０に近づくと、細線からなる隣り合う正方形のためのｋの制限値は、ｋ→−１／４である。この制限値は、式（２）によって与えられる制約を超えることに注意すべきである。したがって、ギャップ６５０は、ｋ＞０．１５となるように十分に大きくされるべきである。しかしながら、本発明の原理および概念は、この範囲外のｋの値に対してシステムが効果的に動作するため、ｋの値のこの範囲に限定されるものではないことに注意すべきである。吊り天井の他の制約が、この制約を満たすためにタイル同士を、十分に間隔を近くすることを妨げる場合がありうる。そのような状況において、共振器６０１ａおよび６０１ｂの間の相互結合が最大化されなくなりうるが、システムが効果的に動作するために十分に強くすることができる。
【００８４】
実際には、タイル６００の配置に、したがって共振器６０１の配置に、いくつかのバリエーションがあってもよい。吊り天井は、ストラット６２１内のタイルのいくらかの移動の自由を可能にするように設計される（図５〜７）。その結果、共振器６０１間のギャップ６５０は、取り付けプロセスの標準の公差に起因して変化してもよい。結合係数ｋは、このギャップのサイズの関数であるため、結合係数ｋは、アレイにわたってランダムに変化することになる。このランダムな変動が大きすぎる場合、アレイにわたる磁界の振幅の均一性を乱すことになる。この問題は、以下のように対処されてもよい。共振器６０１の矩形ループが、例えば、平坦な導電性のリボンで作られている場合、リボン幅は、ギャップ６５０の幅に対する結合係数ｋの感度を低減させるために大きくされてもよい。
【００８５】
図１５は、ループが小さなギャップによって分離された平坦な導電性のリボンで作られている場合に、共振器６０１において使用されてもよいタイプの、２つの隣接する導電性の正方形のループ６６１および６６２を示す。図１６は、２つのループの間のギャップの関数として、２つの正方形のループ６６１および６６２の間の結合係数ｋの近似シミュレーションのプロットを示す。正方形のループは、（中心間で測定され）２４インチにわたる。３つのリボン幅：１インチ、１／２インチ、および、２インチがシミュレートされる。曲線６６３、６６４および６６５は、それぞれ、幅１／２インチ、幅１インチおよび幅２．０インチの平坦な導電性のリボンに対応する。図１７は、ギャップ幅の変化に対する結合係数の感度のプロットを示す。図１７において、曲線６６７、６６８および６６９は、それぞれ、幅１／２インチ、幅１インチおよび幅２．０インチの平坦な導電性リボンに対応する。より幅が広いリボンからなる正方形間の結合係数は、より幅が狭いリボンからなる正方形間の結合係数よりも、ギャップ幅の変化に対する感度が低いことに注意すべきである。
【００８６】
式（２）に記載される制約は、ｋのサイズに強い制約を提供する。基本駆動周波数の高調波の伝搬を抑制することが望ましい場合、この制約を満たさなければならない。しかしながら、ｋには弱い制約もまたあり、より大きな大きさ（すなわち、ｋのより負の値）は、結合アレイにわたって電力を伝送するのにより効果的である。結合アレイにおいて電力が伝送されうる特性長のスケールλは、次式で与えられる：
2021521766.tif 000005
ここで、Ｑは各共振器の品質係数であり、ｋは各共振器とその最近接物との間の無次元結合係数である。長さのスケールλは無次元数である。１つの単位が、１つのグリッド空間に対応する。
【００８７】
図１８は、Ｑ＝４００の場合のλとｋとの間の関係のプロットである。ｋの大きさがゼロに近づくにつれて、電力が伝送されうる距離がゼロに近づくため、ｋの小さな大きさは望ましくないことがプロットからわかる。ギャップ幅が小さい場合、共振器を構成する導電性のリボンの幅が大きくなるとｋの大きさが小さくなるという事実に起因してトレードオフが起こる。（図１６参照）リボンを狭くすることは、結合係数の大きさを大きくするが、共振器６０１の正確な間隔に対する結合係数の感度もまた、大きくなる。リボンを広くすることは、結合係数の感度を低減させるが、結合係数の大きさもまた、低減する。したがって、式（２）によって定義される制約に加えて、ｋに対する追加の制約が存在し、すなわち、ギャップサイズに対する感度を特定の許容値未満に維持しながら、ｋを可能な限り大きくすべきである。最大許容感度は、共振器６０１の取り付けプロセスによって決定される、ギャップサイズの既知の交差に依存する。
【００８８】
上述したように、リボン導体の幅を大きくすることは、ギャップサイズに対するｋの感度を小さくするが、また、ｋの大きさが小さくなり、それによって、ワイヤレス電力伝送の特性長が低減する。図１９は、正方形のループ６７１の中心に各々、平坦な導体６７２を有する２つの隣接する共振器６０１の正方形のループ６７１を描写する。隣接する正方形のループ６７１間の結合は、各正方形の共振器６０１の中心に平坦な導体６７２を配置することによって大きくされてもよい。この平坦な導体６７２は、正方形の端部の近くに磁力線を集中させ、そこで、共振器６０１の４つの最近接物に、より効果的に結合させうる。この配置は、平坦な導体６７２に誘起される渦電流に起因して、各共振器６０１の中心に磁界が侵入することを遮蔽することに注意すべきである。したがって、この平坦な導体６７２と直接接触して配置される場合、例えば、それぞれ図２または３のデバイス５００ａまたは５００ｄなどのワイヤレス給電受信デバイスは、何れの電力も受信しない。これは、このソリューションがすべての状況に適用できないことを意味する。しかしながら、共振器６０１の中心に磁界が侵入するのを遮蔽するという事実は、特定の用途においては問題にならない場合がある。例えば、フラットＯＬＥＤパネルライトなどのように、デバイスが各タイル上の共振器に直接接続されることは許容されてもよい。そのようなデバイスは、誘導結合に頼ることなく、各共振器への直接接続からそれらの電力を取り出しうる。他の用途において、導電性のリボン６７１と平坦な導体６７２との間の空間に、アクティブなワイヤレス電力伝送の領域を限定することが許容されてもよい。
【００８９】
図２０は、共振器６０１を駆動するための４つのＲＦ増幅器７７０を有する図４Ａおよび４Ｂに示されるタイル６００のアレイの平面図を示す。上述のように、共振器６０１のうちの少なくとも１つは、ＲＦ増幅器７７０に電気的に（直接または誘導的に）結合される。ＲＦ増幅器７７０に電気的に結合された共振器６０１は、次いで、最近接の共振器６０１に電磁的に結合され、アレイ全体にわたって場を結合するＥＭ界を生成する。以下は、所与のサイズの所与のアレイに必要とされるＲＦ増幅器７７０の数およびＲＦ増幅器７７０間の間隔を決定する際に考慮されるべき考慮事項を実証する。
【００９０】
図２０に示される例は、共振器６０１が正方形のグリッドを形成し、ＲＦ増幅器７７０が共振器６０１のいくつかに取り付けられて電力を供給することを仮定している。ＲＦ増幅器７７０は、増幅器間にｓ個の正方形の距離で正方形のグリッド上に均等に離間され、ここで、ｓは正の整数である。図２０に示される例において、増幅器７７０間には５個の正方形の距離があり、すなわちｓ＝５である。
【００９１】
単一の共振器６０１に接続されたＲＦ増幅器７７０によって生成された電力密度は、ＲＦ増幅器７７０からの距離とともに指数関数的に減衰する。この指数関数的な減衰の特性長は、上記の式（３）によって与えられる。結合アレイのスケールが、式（３）で定義される特性長よりも大きい場合、アレイの電力密度は均一ではない。このような均一性を確保するための１つの方法は、各々が単一の共振器６０１に取り付けられている複数のＲＦ増幅器７７０によって複数の点でアレイを駆動することである。ＲＦ増幅器７７０間の間隔は、電力密度の均一性を確保するためにλと同じオーダとなるように選択してもよい。
【００９２】
しかしながら、アレイが複数の独立したＲＦ増幅器７７０によって駆動される場合、ＲＦ増幅器７７０は、当然ながら異なる周波数、および／または、位相で動作する。独立したＲＦ増幅器７７０間の同期の不足は、ＲＦ増幅器７７０によって生成される結合界にうなり（beat note）が現れる原因になる。例えば、２つの独立したＲＦ増幅器７７０が、周波数が１０Ｈｚ異なる場合、２つのＲＦ電源の間に配置される任意のワイヤレス給電光において、目に見える１０Ｈｚのフリッカが見られることになる。そのため、これらのうなりの生成を排除するために、ＲＦ増幅器７７０は、位相がロックされるべきである。位相同期は、マスタークロック信号を全てのＲＦ増幅器７７０に分配することによって達成してもよい。位相同期は、また、システム内に存在する全てのＲＦ増幅器７７０間の注入同期によって達成してもよい。
【００９３】
図２１は、互いに同相で動作する２つの同一のＲＦ電源７８０ａおよび７８０ｂを示す概略図を示す。図２０に示されるＲＦ増幅器７７０は、図２１に示されるＲＦ電源７８０ａおよび７８０ｂとして実装されうる。各電源７８０ａおよび７８０ｂは、それぞれ狭帯域通過フィルタ７８１ａおよび７８１ｂを通り結合された正のフィードバックを含む。正のフィードバックは、発振の原因となり、フィルタ７８１ａおよび７８１ｂは、発振の周波数を設定する。２つのＲＦ電源７８０ａおよび７８０ｂは、互いに弱い結合を有する。この結合は、第１電源７８０ａからのＲＦの一部が第２電源７８０ｂに漏れる原因となり、フィードバックループの一部となる。一方の電源から他方のフィードバックループへのＲＦのこの注入は、２つの電源７８０ａおよび７８０ｂを同じ位相で発振させる。図２１に示される概略図は、ＲＦ増幅器７７０が位相で動作していることを確保するために使用されうる技術および回路構成の、ただ単なる一例である。
【００９４】
本発明の原理および概念は、天井タイルを参照して例示的な目的で上述したが、本発明の原理および概念は、床タイル、中庭の舗装、歩道および道路の舗装、壁（例えば、バックスプラッシュ）に使用される装飾タイル、バルコニーおよびポーチに使用される屋外タイルなどを含む、タイルのアレイを形成するために並んで位置する他のタイプのタイルにも等しく適用されることに注意すべきである。より一般的な（すなわち、非矩形の）構成において、４つの異なる固有共振周波数を有する４つの異なるタイプのタイル、すなわち、４つ、３つ、２つ、または１つの最近接物を有するタイルが存在する。
【００９５】
語句「Ｘ、ＹまたはＺのうちの少なくとも１つ」などの離接語は、特に断らない限り、アイテム、用語などが、Ｘ、ＹまたはＺ、あるいはそれらの任意の組合せ（たとえば、Ｘ、Ｙおよび／またはＺ）でありうることを提示するために、一般に使用されるような文脈で別段に理解される。したがって、そのような離接語は、一般に、特定の実施形態が、Ｘのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、または、Ｚのうちの少なくとも１つがそれぞれ存在することを必要とすることを意図しておらず、また意味すべきではない。
【００９６】
本開示の上述の実施形態は、本開示の原理の明確な理解のために記載された単なる実施の可能な例にすぎないことが強調されるべきである。本開示の精神および原理から実質的に逸脱することなく、上述の実施形態に対して多くの変形および修正が行われてもよい。これらの変更および変形は、本開示の範囲内に含まれることが意図されており、以下の請求項によって保護される。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年2月20日(2020.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイルであって、
前面および裏面を有する基板と、
前記タイル内または前記タイルの上に配されたワイヤレス電力伝送共振器であって、前記ワイヤレス電力伝送共振器は、予め選択された特性周波数を有し、電磁（ＥＭ）界を生成する、ワイヤレス電力伝送共振器と、
前記タイル内または前記タイルの上に配されたワイヤレス電力受信デバイスであって、前記ワイヤレス電力受信デバイスは、前記ワイヤレス電力伝送共振器によって生成された前記ＥＭ界が前記ワイヤレス電力受信デバイスに誘導結合されるように、前記予め選択された特性周波数にチューニングされている、ワイヤレス電力受信デバイスと、を含む、タイル。
【請求項２】
前記ワイヤレス電力伝送受信デバイスに電気的に結合され、かつ、前記タイルの前記前面に取り付けられた電気デバイスをさらに含み、前記電気デバイスは、前記ワイヤレス電力受信デバイスによって給電される、請求項１に記載のタイル。
【請求項３】
前記電気デバイスは、電気照明デバイスである、請求項２に記載のタイル。
【請求項４】
前記電気デバイスは、電気検出デバイスである、請求項２に記載のタイル。
【請求項５】
前記タイルは、吊り天井（dropped ceiling）を形成する際に使用するために適合されたドロップアウトタイルである、請求項１に記載のタイル。
【請求項６】
前記タイルは、
前記ワイヤレス電力伝送共振器に電気的に結合されたラジオ周波数（ＲＦ）電源をさらに含み、前記ＲＦ電源は、前記タイルの上または前記タイル内に配される、請求項１または２の何れかの請求項１に記載のタイル。
【請求項７】
前記ワイヤレス電力伝送共振器は、
前記タイルの第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれ隣接して延びる第１、第２、第３および第４のセグメントを有する導電性材料の矩形ループと、
少なくとも、前記矩形ループの両端に結合された第１のキャパシタと、を含み、前記矩形ループおよび当該少なくとも第１のキャパシタは、予め選択された特性周波数で前記ワイヤレス電力伝送共振器が共振することを確保するために、予め選択される、請求項１または２に記載のタイル。
【請求項８】
前記ワイヤレス電力受信デバイスは、前記予め選択された特性周波数で共振する、請求項１乃至７の何れか１項に記載のタイル。
【請求項９】
前記ワイヤレス電力伝送共振器は、前記タイルの前記裏面に配される、請求項１乃至８の何れか１項に記載のタイル。
【請求項１０】
各タイルが少なくとも１つの隣接するタイルを有するように配されたタイルのアレイであって、前記アレイの各タイルは、
前面および裏面を有する基板と、
それぞれの前記タイル内または前記タイルの上に配された第１のワイヤレス電力伝送共振器と、を含み、各第1のワイヤレス電力伝送共振器は、予め選択された特性周波数を有し、隣接するタイルの前記第１のワイヤレス電力伝送共振器に誘導結合される電磁（ＥＭ）界を生成する、アレイ。
【請求項１１】
前記第１のワイヤレス電力伝送共振器のうち少なくとも１つは、第１のラジオ周波数（ＲＦ）電源に電気的に結合され、前記第１のＲＦ電源は、前記第１のワイヤレス電力伝送共振器のうち当該第１のワイヤレス電力伝送共振器が配された前記タイルの上または前記タイル内に配される、請求項１０に記載のアレイ。
【請求項１２】
前記アレイの少なくとも第１のタイルは、
前記第１のタイル内または前記第１のタイルの上に配された少なくとも第１のワイヤレス電力受信デバイスと、
前記第１のワイヤレス電力伝送受信デバイスに電気的に結合され、かつ、前記タイルの前記前面に取り付けられた電気デバイスと、を含み、前記電気デバイスは、前記第１のワイヤレス電力伝送受信デバイスによって給電される、請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１３】
前記電気デバイスは、電気照明デバイスである、請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１４】
前記電気デバイスは、電気検出デバイスである、請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１５】
各タイルは、吊り天井（dropped ceiling）を形成する際に使用するために適合されたドロップアウトタイルである、請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１６】
前記第１のワイヤレス電力伝送共振器の各々は、
前記タイルの第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれ隣接して延びる第１、第２、第３および第４のセグメントを有する導電性材料の矩形ループと、
少なくとも、前記矩形ループの両端に結合された第１のキャパシタと、を含み、前記矩形ループおよび当該少なくとも第１のキャパシタは、予め選択された特性周波数で前記第１のワイヤレス電力伝送共振器が共振することを確保するために、予め選択される、請求項１０乃至１５の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項１７】
前記第１のワイヤレス電力伝送共振器の各々の前記予め選択された特性周波数は、前記アレイ内のそれぞれの前記タイルの位置に少なくとも部分的に基づいて予め選択され、
前記アレイのコーナーに位置するタイルは、第１の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有し、
前記アレイの内部に位置するタイルは、第２の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有し、
コーナータイルではない前記アレイの側面に沿って位置するタイルは、第３の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有し、
コーナータイルではない前記アレイの側面に沿って位置する、１つのみの他のタイルに隣接するタイルは、第４の特性周波数で共振する第１のワイヤレス電力伝送共振器を有する、請求項１０乃至１６の何れかに記載のアレイ。
【請求項１８】
前記第１、第２、第３および第４の特性周波数は、実質的に一定の電磁界が前記アレイにわたって存在することを確保にするために、予め選択される、請求項１０乃至１６の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項１９】
前記アレイの少なくとも第２のタイルは、その上に配された第２のワイヤレス電力伝送共振器を有し、前記第２のタイルに配された前記第１および第２のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味（net）の磁束が前記第２のタイルを通過することを確保する、請求項１０乃至１８の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２０】
前記第１および第２のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味の磁束が前記第２のタイルを通過することを確保するクロスオーバジャンクションによって互いに結合される、請求項１０乃至１９の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２１】
前記アレイの少なくとも第３のタイルは、その上に配された少なくとも第２、第３および第４のワイヤレス電力伝送共振器を有し、前記第３のタイルに配された前記第１、第２、第３および第４のワイヤレス電力伝送共振器は、ゼロの正味の磁束が前記第３のタイルを通過することを確保するクロスオーバジャンクションによって互いに結合される、請求項１０乃至１９の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２２】
少なくとも第２のワイヤレス電力伝送共振器に電気的に結合された少なくとも第２のＲＦ電源をさらに含み、前記第２のＲＦ電源は、当該第２のワイヤレス電力伝送共振器が中または上に配される前記タイル内の上または前記タイル内に配され、前記第１および第２のＲＦ電源は、予め選択された距離によって互いに分離されている、請求項１０または１１の何れか１項に記載のアレイ。
【請求項２３】
タイルの前記アレイ内の隣接するタイルは、予め選択されたギャップによって互いに分離されており、前記予め選択されたギャップは、前記隣接するタイルの前記ワイヤレス電力伝送共振器の間の十分に強い相互インダクタンスを確保するために予め選択される、請求項１０に記載のアレイ。
【請求項２４】
各矩形ループは、前記ギャップの前記サイズの公差に少なくとも部分的に基づいて予め選択された幅を有する、請求項１０乃至１６に記載のアレイ。
【請求項２５】
前記第１および第２のＲＦ電源は、互いに同相である、請求項１０乃至２１の何れか１項に記載のアレイ。
【国際調査報告】
2021521766.tif 000027
2021521766.tif 000028