(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線を有する容器であって、この容器は第１の端部及び第２の端部を有し、当該第１の端部には正端子があり、当該第２の端部には負端子があるようにした当該容器と、
発振磁界を介して無線エネルギー伝送するために構成され、複数のループを形成する導電体を有する磁気共振器と
を具える無線式バッテリにおいて、
前記磁気共振器は前記容器内で前記第１の端部寄り又は前記第２の端部寄りに位置して、前記複数のループは前記第１の端部及び前記第２の端部の一方から前記第１の端部と前記第２の端部との中間点を越えて螺旋状に延び、
前記磁気共振器は、前記無線式バッテリと同一の構成を有する第２の無線式バッテリが前記無線式バッテリに対して平行且つ逆向きに位置するときに、前記２つの無線式バッテリの前記磁気共振器間の、結合係数ｋによって定義される結合が、前記２つの無線式バッテリの任意の相対的な配向及び位置における、前記２つの無線式バッテリの前記磁気共振器間の可能な最大結合の２０％以下となるような、前記軸線に沿った長さを有する無線式バッテリ。
【請求項２】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、前記２つの無線式バッテリの前記磁気共振器間の前記結合が０．１以下である無線式バッテリ。
【請求項３】
請求項２に記載の無線式バッテリにおいて、前記２つの無線式バッテリの前記磁気共振器間の前記結合が０．０５以下である無線式バッテリ。
【請求項４】
請求項２に記載の無線式バッテリにおいて、前記２つの無線式バッテリが互いに平行且つ逆向きに位置するときに前記結合がゼロである無線式バッテリ。
【請求項５】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、前記容器は円筒形状を有し、ＡＡ寸法のバッテリの容器、ＡＡＡ寸法のバッテリの容器、又はＤ寸法のバッテリの容器の１種類の容器のフォームファクタに対応する外観寸法を有する無線式バッテリ。
【請求項６】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、前記導電体の前記複数のループは可撓性の基板上に形成されている無線式バッテリ。
【請求項７】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、この無線式バッテリが更に、前記容器内に位置する磁気材料を有しており、この磁気材料は前記複数のループにより少なくとも部分的に囲まれている無線式バッテリ。
【請求項８】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、この無線式バッテリが更に、前記複数のループに結合されエネルギーを繰り返し蓄積し放出するように構成されるエネルギー蓄積ユニットを有しており、前記無線式バッテリは再充電可能なバッテリをなす無線式バッテリ。
【請求項９】
請求項８に記載の無線式バッテリにおいて、前記磁気共振器は、前記無線式バッテリの動作中、発振磁界により送信されるエネルギーを捕捉し、捕捉された当該エネルギーの一部を前記エネルギー蓄積ユニット内に蓄積して前記無線式バッテリを再充電するように構成されている無線式バッテリ。
【請求項１０】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、この無線式バッテリが更に、前記容器内に位置し、前記容器内に位置する素子のインダクタンス、抵抗、及びキャパシタンスの少なくとも１つを調整するように構成される少なくとも１つの制御回路を備える無線式バッテリ。
【請求項１１】
請求項１に記載の無線式バッテリにおいて、前記容器は前記軸線を中心として対称的とした円筒状のバッテリ寸法である無線式バッテリ。
【請求項１２】
請求項１に記載の前記無線式バッテリである第１の無線式バッテリと、
第２の無線式バッテリと
を具える無線式バッテリアセンブリにおいて、
前記第２の無線式バッテリは、
軸線を中心として対称的とした円筒状の容器であって、この容器は第１の端部及び第２の端部を有し、当該第１の端部には正端子があり、当該第２の端部には負端子があるようにした当該容器と、
発振磁界を介して無線エネルギー伝送するために構成され、複数のループを形成する導電体を有する磁気共振器とを具え、
前記磁気共振器は前記容器内で非対称に位置し、前記複数のループは前記第１の端部及び前記第２の端部の一方から前記第１の端部と前記第２の端部との中間点を越えて螺旋状に延び、
前記第１の無線式バッテリおよび前記第２の無線式バッテリは前記アセンブリ内で互いに距離をあけて位置して、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器と前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器との間の、結合係数ｋによって定義される結合が、前記距離と同一の距離において当該磁気共振器の任意の配向における当該磁気共振器間の最大結合の２０％以下であるアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のアセンブリにおいて、前記第１の無線式バッテリ及び前記第２の無線式バッテリは、互いに平行且つ逆向きに位置しているアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１２に記載のアセンブリにおいて、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器が、容量装荷導電性ループを有しているアセンブリ。
【請求項１５】
請求項１２に記載のアセンブリにおいて、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器及び前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器が、外部電源及び１つ以上の追加の共振器の少なくとも一方により生成される発振磁界を介してエネルギーを受けるようにそれぞれ構成されているアセンブリ。
【請求項１６】
請求項１２に記載のアセンブリにおいて、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器および前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器は予備同調され、前記第１の無線式バッテリ及び前記第２の無線式バッテリが近傍に位置するときに、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器と前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器との間の結合を相殺するアセンブリ。
【請求項１７】
請求項１２に記載のアセンブリにおいて、このアセンブリは更に、前記第１の無線式バッテリの前記容器内に位置する少なくとも１つの制御回路を具え、当該少なくとも１つの制御回路は、前記アセンブリの動作中、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器の１つ以上の素子の、周波数、インダクタンス、抵抗、及びキャパシタンスのうち少なくとも１つを動的に同調して、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器と前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器との間の結合を相殺するように構成されているアセンブリ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のアセンブリにおいて、このアセンブリは更に、前記第２の無線式バッテリの前記容器内に位置する少なくとも１つの制御回路を具え、当該少なくとも１つの制御回路は、前記アセンブリの動作中、前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器の１つ以上の素子の、周波数、インダクタンス、抵抗、及びキャパシタンスのうち少なくとも１つを動的に同調して、前記第１の無線式バッテリの前記磁気共振器と前記第２の無線式バッテリの前記磁気共振器との間の結合を相殺するように構成されているアセンブリ。
【請求項１９】
発振磁界を介して無線エネルギー伝送するために構成した第１の磁気共振器及び第１の軸線を有する第１のバッテリと、発振磁界を介して無線エネルギー伝送するために構成した第２の磁気共振器及び第２の軸線を有する第２のバッテリとを具えている装置において、
前記第１のバッテリ及び前記第２のバッテリそれぞれは、第１の端部及び第２の端部を有し、
前記第１の磁気共振器及び前記第２の磁気共振器それぞれは、前記第１のバッテリ及び前記第２のバッテリそれぞれの中で前記第１の端部寄り又は前記第２の端部寄りに位置し、
前記第１の磁気共振器及び前記第２の磁気共振器は、前記第１のバッテリおよび前記第２のバッテリが前記装置内で互いに距離ｄをあけて平行且つ同じ向き若しくは逆向きに位置するときに、前記第１の磁気共振器と前記第２の磁気共振器との間の、結合係数ｋによって定義される結合が、前記距離ｄにおける前記第１のバッテリ及び前記第２のバッテリの任意の配向における前記第１の磁気共振器と前記第２の磁気共振器との間の最大結合の２０％以下となるような、前記第１の軸線及び前記第２の軸線にそれぞれ沿った長さを有する装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置において、前記第１の磁気共振器は第１のバッテリ容器内に一体化されており、前記第２の磁気共振器は第２のバッテリ容器内に一体化されている装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載の装置において、前記第１の磁気共振器が、容量装荷導電性ループを有している装置。
【請求項２２】
請求項１９に記載の装置において、前記第１の磁気共振器及び前記第２の磁気共振器が、外部電源及び１つ以上の追加の共振器の少なくとも一方により生成される発振磁界を介してエネルギーを受けるようにそれぞれ構成されている装置。
【請求項２３】
請求項１９に記載の装置において、前記第１の磁気共振器及び前記第２の磁気共振器の少なくとも１つが少なくとも１００のクオリティファクタを有している装置。
【請求項２４】
請求項１９に記載の装置において、前記第１の磁気共振器及び前記第２の磁気共振器は予備同調され、当該磁気共振器が近傍に位置するときに、当該磁気共振器間の結合を相殺する装置。
【請求項２５】
請求項１９に記載の装置において、この装置は更に、少なくとも１つの制御回路を具え、当該少なくとも１つの制御回路は、前記装置の動作中、前記第１の磁気共振器の１つ以上の素子の、周波数、インダクタンス、抵抗、及びキャパシタンスのうち少なくとも１つを動的に同調して、前記第１の磁気共振器と前記第２の磁気共振器との間の結合を相殺するように構成されている装置。
【請求項２６】
軸線を有する容器であって、この容器は第１の端部及び第２の端部を有し、当該第１の端部には正端子があり、当該第２の端部には負端子があるようにした当該容器と、
発振磁界を介して無線エネルギー伝送するために構成され、複数のループを形成する導電体を有する磁気共振器と
を具える無線式バッテリにおいて、
前記磁気共振器は前記容器内で前記第１の端部寄り又は前記第２の端部寄りに位置して、前記複数のループは前記第１の端部及び前記第２の端部の一方から前記第１の端部と前記第２の端部との中間点を越えて螺旋状に延び、
前記磁気共振器は、前記無線式バッテリと同一の構成を有する第２の無線式バッテリが前記無線式バッテリに対して平行且つ逆向きに位置するときに、前記２つの無線式バッテリの前記磁気共振器間の、結合係数ｋによって定義される結合が０．１以下となるような、前記軸線に沿った長さを有する無線式バッテリ。
【請求項２７】
請求項２６に記載の無線式バッテリにおいて、前記２つの無線式バッテリの前記磁気共振器間の前記結合が０．０５以下である無線式バッテリ。
【請求項２８】
請求項２６に記載の無線式バッテリにおいて、前記磁気共振器は、前記２つの無線式バッテリが互いに平行且つ逆向きに位置するときに前記結合がゼロとなるような、前記軸線に沿った前記長さを有する無線式バッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリへの無線エネルギー伝送に関するものであるとともに、このようなエネルギー伝送を達成する装置に関するものである。
【０００２】
本発明は、２０１２年６月２７日に出願された米国特許出願第１３／５３４，９６６号、２０１２年６月２８日に出願された米国特許出願第１３／５３６，４３５号及び２０１２年７月９日に出願された米国特許出願第１３／５４４，６８８号の優先権を主張するものであり、これらの内容の全てが参考として導入されるものである。
【背景技術】
【０００３】
エネルギー又は電力は、例えば、“Wireless Energy Transfer Systems”と題しＵＳ２０１０／０１０９０９４４５として２０１０年５月６日に公開された共有に係る米国特許出願第１２／６１３，６８６号と、“Integrated Resonator-Shield Structures”と題しＵＳ２０１０／０３０８９３９として２０１０年１２月９日に公開された米国特許出願第１２／８６０，３７５号と、“Low Resistance Electrical Conductor ”と題しＵＳ２０１２／００６２３４５として２０１２年３月１５日に公開された米国特許出願第１３／２２２，９１５号と、“Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting ”と題しＵＳ２０１２／０２４８９８１として２０１２年１０月４日に公開された米国特許出願第１３／２８３，８１１号とで詳述されているような種々の既知の放射場、すなわち遠隔場（非近接場）及び非放射場、すなわち近接場技術を用いて無線で伝送しうる。これらの特許出願の内容は参考として導入される。
【０００４】
共振器及び電子機器をバッテリの付近に一体化又は位置させることにより、バッテリに対する無線エネルギー伝送を可能にしてバッテリパックを無線充電させるようにしうる。共振器及び制御回路を追加することにより、バッテリ及びバッテリパックを充電器内に正確に配置させることなしに、これらバッテリ及びバッテリパックが電源（ソース）からエネルギーを無線で捕捉できるとともに再充電しうるようになる。無線式（ワイヤレス）バッテリ及びバッテリパックは、ホスト機器を外部のエネルギー供給源内に物理的に差し込むことなくホスト機器内で外部の無線電源から無線で再充電できる。
【０００５】
しかし、互いに隣接させて、又は近接させて、又はすぐそばに配置した共振器は、互いのパラメータ、特性、無線エネルギー伝送性能、等に互いに影響を及ぼすおそれがある。無線エネルギー伝送に対応した２つ以上のバッテリが互いに近接して配置されると、各バッテリの共振器が互いに影響を及ぼし合い、無線エネルギーを受ける各バッテリの能力を低減させるかこの能力に悪影響を及ぼすおそれがある。多数の装置では、バッテリが区画室内に配置され、これらバッテリを互いにすぐそばに位置するようにしている。このような装置では、特別な考慮を行わないと、無線エネルギー伝送に対応したバッテリが、他のバッテリによる共振器に関する摂動（perturbation）により充分なエネルギーを受けることができなくなるおそれがある。
【０００６】
更に、エネルギー又は電力は、例えば、“Wireless Energy Transfer Systems”と題しＵＳ２０１０／０１０９０９４４５として２０１０年５月６日に公開された共有に係る米国特許出願第１２／６１３，６８６号と、“Integrated Resonator-Shield Structures”と題しＵＳ２０１０／０３０８９３９として２０１０年１２月９日に公開された米国特許出願第１２／８６０，３７５号と、“Low Resistance Electrical Conductor ”と題しＵＳ２０１２／００６２３４５として２０１２年３月１５日に公開された米国特許出願第１３／２２２，９１５号と、“Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting ”と題しＵＳ２０１２／０２４８９８１として２０１２年１０月４日に公開された米国特許出願第１３／２８３，８１１号と、“Wireless Energy Transfer for Rechargeable Batteries ”と題し公開された米国特許出願第１３／５３４，９６６号で詳述されているような種々の既知の放射場、すなわち遠隔場及び非放射場、すなわち近接場技術を用いて無線で伝送しうる。これらの特許出願の内容は参考として導入される。
【０００７】
モバイル通信が進歩するにつれ、コンピュータ装置及び検出装置がより不可欠なものとなり、複数のバッテリ、燃料電池、等を持ち運んだり、動作させたり、保存させたりする負担が増大する。民間及び軍事的な双方のシナリオでは、人々はしばしば複数の電子機器を有するとともに動作させる必要がある。人は、ヘッドライト、ポータブルコンピュータ、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）装置、センサ、カメラ、ラジオ、懐中電灯、等のような１つ以上の電子機器を所持しているであろう。各電子機器は、これらの電子機器の各々又は群にエネルギーを供給するためにバッテリ、燃料電池、等のようなエネルギー源（電源）を必要とするであろう。多数の電子機器は、多数のバッテリをユーザにより管理及び監視の双方又は何れか一方を行う必要があることを意味するであろう。
【０００８】
各電子機器が独自のエネルギー源、すなわちバッテリを有しているシステムでは、蓄積されたエネルギーが充分に利用できなくなるおそれがあり且つユーザが持つ必要がある大きな又は不必要な追加の重さをもたらすおそれがある。各電子機器又は電子機器の群が分離されたエネルギー源を有する場合には、代表的に電子機器がまれにしか用いられない場合でも、各電子機器のエネルギー貯蔵部は最悪のシナリオ又は最大使用のシナリオにおいて電子機器を附勢するのに充分な大きさとする必要がある。多くの使用シナリオにおける結果として、ユーザはもたらされたエネルギーを充分に利用せず、おそらく多すぎるバッテリ容量又は蓄積エネルギー容量を有するようになるであろう。
【０００９】
もたらされたエネルギーを充分に利用しないことは、重量に敏感な電子機器及び分野にとって問題となるおそれがある。例えば、ヘルメットに装着する電子機器に対しエネルギーを充分に利用しないことは、ユーザが自分の頭部に対し耐えるようにする必要がある重要な重量の不利益を意味するようになる可能性がある。多くの分野では、人の頭部領域に加わる重量を低減又はなくすようにするのが望ましい。その理由は、この重量は、ユーザを不快にさせたり、疲れさせたり、又は頸部問題を生ぜしめたりするおそれがある為である。
【００１０】
複数のバッテリの負担を低減させるとともにこれらバッテリの利用を改善する一方法は、人に装着される又は人が所持する種々の周辺機器に電力を供給しうる装着（着用）可能なバッテリパック及び中央のエネルギー発生器の双方又は何れか一方を用いることである。中央のバッテリが１つ又は数個である場合、ポータブルエネルギーを、電力を必要としている機器に割り当てたり分配したりすることができる。しかし、このような機器はケーブルにより人のバッテリパックにつなぐようにするものである。人の頭部又はヘルメットに設けるヘッドライト、マイクロホン、暗視ゴーグル、等のような機器の場合、ケーブルが不快となり、移動を制限したり、安全性に関するリスクをもたらしたり（その理由は、ケーブルが邪魔になったり又は物体や障害物に引っかかったりする為である）、システムの信頼性を低減させるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／０１０９０９４４５号
【特許文献２】米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／０３０８９３９号
【特許文献３】米国特許出願公開第ＵＳ２０１２／００６２３４５号
【特許文献４】米国特許出願公開第ＵＳ２０１２／０２４８９８１号
【特許文献５】米国特許出願第１３／５３４，９６６号
【特許文献６】米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／０２３７７０９号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】１９８４年にプレンティスホールから出版されたH.A. Haus 氏著の本“Waves and Field in Optoelectronics”
【非特許文献２】２００８年発行の“Annals of Physics ”, vol. 323, Issue 1 の３４頁の論文“Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer”
【非特許文献３】２００７年発行の“Science”, vol. 317, no. 5834の８３頁の論文“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、必要なことは、無線対応バッテリを他の無線対応バッテリのすぐそばに配置しうること及び人が装着した周辺機器に対するエネルギー分布を良好にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
無線エネルギー伝送対応バッテリには共振器を設ける。一態様では、この共振器をバッ
テリ寸法の容器（筐体）内で非対称に配置し、２つの無線エネルギー伝送対応バッテリが互いにすぐそばに配置された場合、これら２つのバッテリの共振器の結合が低くなるようにする。
【００１５】
他の態様では、バッテリの容器を、ＡＡ（単三）、ＡＡＡ（単四）、Ｄ（単一）、等のような標準寸法のバッテリとしての形状としうる。
【００１６】
更に他の態様では、バッテリに、共振器により捕捉されるエネルギーにより再充電しうる、バッテリ寸法のパッケージ内に入れた再充電可能なバッテリを含めることができる。共振器は、バッテリを囲むように包装する可撓性基板上に形成しうる。
【００１７】
少なくとも２つの共振器コイルの組合せでは、これら共振器コイルをその相互間の結合が弱くなるように配置しうる。これらの共振器コイルは、別々のバッテリ構造体内に一体化させることができるとともに、エネルギーを無線で受けるように構成しうる。１つの特定の態様では、共振器が１００以上のクオリティファクタＱを有するようにしうる。
【００１８】
１つの特定の態様では、無線対応バッテリに、円筒型バッテリの寸法の容器を設けるようにすることができ、この容器は第１の端部及び第２の端部を有し、第１の端部には正端子があり、第２の端部には負端子があるようにする。無線式バッテリには円筒型バッテリ容器と同心的なループを形成する共振器を設けることができる。この共振器は、容器内に非対称に配置し、他のバッテリが逆の向きですぐそばに位置した場合にこの共振器と他のバッテリの他の共振器との結合が弱くなるようにする。
【００１９】
無線エネルギー伝送によれば、ユーザに対する頭部装着装置又はヘルメットのようなモバイル電子機器につなぐ複数のワイヤ接続の安全性に対する欠点及び人間工学的な欠点なしに、着用可能なバッテリパック又は携帯用電力発生器から周辺機器を附勢することができる。
【００２０】
１つの態様では、無線エネルギー伝送システムに、人に装着する中央のエネルギー源を設ける。このエネルギー源は、電力を１つ以上の無線電源共振器に供給し、これら電源共振器が発振（振動）磁界を発生するようにするのに用いることができる。発振磁界は、エネルギーを、人が装着する又は所持する無線電力レピータ及び機器の双方又は何れか一方に無線伝送するのに用いることができる。エネルギー源は充電式バッテリとすることができる。発振磁界から電力を発生させるために、システムには、発振磁界と相互作用して電流を発生させるように構成した１つ以上の電子機器共振器を設けることができる。電子機器共振器はヘルメットに装着でき、電源共振器は人の体に装着しうる。
【００２１】
他の態様では、人に装着する電源共振器の電力出力又は周波数を、電源共振器の磁界のすぐそばにある又はこれらの磁界と相互作用する組織の種類に依存して調整するようにしうる。システムには更に、磁性材料及び導電性材料の双方又は何れか一方を有する領域成形構造体を含め、人の組織及び体の部分と磁界との相互作用を低減させるようにすることができる。
【００２２】
他の態様では、人に装着する無線エネルギー伝送システムに、充電式バッテリと、このバッテリから電気エネルギーを受けて発振磁界を発生させるように構成された電源共振器とを設けることができる。発振磁界と相互作用するように構成配置された電子機器共振器は、人のヘルメットに配置するか又は取付け、人の胴体に又はその付近に装着しうる充電式バッテリから、ヘルメット又はその付近に装着された電子機器にエネルギーを無線伝送するようにする。システムには、１つよりも多い電子機器共振器と、電源共振器の各々を選択的に附勢しうるコントローラとを設けることができる。電源共振器は、人が移動するか、又は回転するか、又は自分の頭部を傾けた場合でも、人の体からヘルメット上の電子機器共振器にエネルギーを無線伝送しうるように離間又は配置させることができる。ヘルメット上の電子機器共振器に対する最良の結合を達成する電源共振器はヘルメットの回転に依存して附勢させることができる。他の態様では、システムに１つよりも多い電子機器共振器を設け、これら共振器を、ヘルメットを装着している人の頭部の回転が如何なるものであろうとも、少なくとも１つの共振器が電源共振器に良好に結合されるように配置しうる。
【００２３】
ここでは、有用な電力量を中距離及びアライメントオフセットに亘って送信しうる非放射場すなわち近接場無線エネルギー伝送機構を開示する。本発明のこの技術は、電力を電力供給源から電力ドレイン部に伝送するために長寿命振動の共振モードを有する結合式電磁共振器を用いる。この技術は一般的なものであり、ここに開示する特定の例が電磁共振器である場合でも、広範囲の共振器に適用しうる。電界により蓄積されたエネルギーが主として構造体内に制限され、磁界により蓄積されたエネルギーが主として共振器を囲む領域内にあるように共振器が設計されている場合には、エネルギー交換に主として共振近接磁界が介在する。これらの種類の共振器は磁気共振器と称することができる。磁界により蓄積されたエネルギーが主として構造体内に制限され、電界により蓄積されたエネルギーが主として共振器を囲む領域内にあるように共振器が設計されている場合には、エネルギー交換に主として共振近接電界が介在する。これらの種類の共振器は電磁共振器と称することができる。これらの双方の種類の共振器をここに開示する。
【００２４】
ここに開示する共振器の近接場の、無指向性であるが固定（無損失）とした特性によれば、中距離に亘り且つ広範囲の方向及び共振器の向きに対するとともに、種々の電子機器を充電するか、附勢するか又は同時に附勢及び充電するのに適している有効な無線エネルギー伝送を可能にする。その結果、システムは、電源に接続された第１の共振器が第１の位置にあり、場合により電気／電子機器、バッテリ、附勢又は充電回路、等に接続された第２の共振器が第２の位置にあり、第１の共振器から第２の共振器までの距離がセンチメートル〜メートル程度である広範囲の種々の可能な分野を有しうる。例えば、電力供給網に接続された第１の共振器は部屋の天井に配置でき、ロボット、ビークル、コンピュータ、通信機器、医療機器、等のような機器に接続された他の共振器が部屋内で動き回ると、これら機器は常に又は間欠的に電源共振器から無線で電力を受ける。この１つの例から、ここに開示するシステム及び方法により中距離に亘って電力を無線で供給しうる、家庭用電化製品、産業分野、インフラストラクチュアの電力及び照明、運搬用ビークル、コンピュータゲーム、軍事分野、等を含む多くの分野を想像しうる。
【００２５】
２つの電磁共振器間でのエネルギー交換は、これら共振器をほぼ同じ周波数に同調させるとともにシステムにおける損失を最少にした場合に、最適なものとしうる。無線エネルギー伝送システムは、共振器間の「結合時間」が共振器の「損失時間（ロスタイム）」よりも著しく短くなるように設計しうる。従って、ここに開示するシステム及び方法は、固有の損失率が低くクオリティファクタが高い（高Ｑの）共振器を用いることができる。更に、ここに開示するシステム及び方法は、サブ波長共振器を用い、これらサブ波長共振器がこれら共振器の特徴的寸法よりも著しく長く延在する近接場を有し、エネルギーを交換する共振器の近接場が中距離で重なり合うようにすることができる。この動作は、従来実施されておらず、従来の誘導設計とは著しく相違する形態の動作である。
【００２６】
ここに開示した高磁場共振器機構と、既知の近距離の、すなわち近接の誘導機構、すなわち従来では高Ｑの共振器を用いていない既知の機構との間の相違を理解することが重要である。結合モード理論（ＣＭＴ）（例えば、１９８４年にプレンティスホールから出版されたH.A. Haus 氏著の本“Waves and Field in Optoelectronics”参照）を用いれば、高Ｑの共振器結合機構が、中距離だけ離間させた共振器間の電力供給を従来の誘導機構よりも著しく有効にすることを明らかにしうる。結合された高Ｑの共振器によれば、中距離に亘るエネルギー伝送を有効にするとともに且つ短距離のエネルギー伝送分野における効率及びオフセットトレランスを改善することが確かめられた。
【００２７】
ここに開示したシステム及び方法によれば、強く結合された高Ｑの共振器を介する近接界エネルギー伝送に対し、ピコワット〜キロワットの電力レベルを、従来の誘導技術を用いて達成された場合よりも著しく長い距離に亘って安全に伝送する可能性を有する技術を提供することができる。有効なエネルギー伝送は、当初、２００８年発行された“Annals of Physics ”, vol. 323, Issue 1 の３４頁に開示されたＭＩＴ（マサチューセッツ工科大学）の研究者等による論文“Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer”及び２００７年に発行された“Science”, vol. 317, no. 5834の８３頁の論文“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”に記載されているような強く結合された音響共振器、核共振器、等のシステムのような強く結合された共振器の種々の一般的なシステムに対し実現しうる。電磁共振器と、結合された磁気共振器及び結合された電気共振器とも称される結合式電磁共振器のシステムとであって動作周波数を１０ＧHzよりも低くしたものもここに開示する。
【００２８】
本明細書には、無線電力伝送技術とも称する無線エネルギー伝送技術を開示する。この開示全体に亘り、用語、無線エネルギー伝送、無線電力伝送、無線電力送信、等を置換可能に用いることができるものである。又、電源、交流又は直流電源、バッテリ、電源共振器、電力供給源、発電機、太陽電池パネル、集熱器、等から、機器、単一のリモート機器、複数のリモート機器、単一の機器共振器又は複数の機器共振器、等に、エネルギー又は電力を供給することを言及しうる。更に、エネルギーを、ホッピングさせ、伝送させ、一時的に蓄積させ、部分的に放出させるか、又は伝送を何らかの方法で電源共振器から他の機器及び中間共振器の何らかの組合せに行い、エネルギー伝送回路網又はストリング又は延長経路を実現しうるようにすることにより、無線エネルギー伝送システムの範囲を拡張する中間共振器を開示しうる。機器共振器は、電源共振器からエネルギーを受け、このエネルギーの一部を、機器を附勢する又は充電する電力に変換し、これと同時に受けたエネルギーの一部を他の機器又はモバイル機器の共振器に送るようにしうる。エネルギーは、電源共振器から、エネルギーを無線伝送しうる距離に亘って明確に延在する複数の機器共振器に伝送しうる。無線電力送信システムは、種々のシステム構造及び共振器設計を用いて実施しうる。システムには、電力を単一の機器又は複数の機器に送信する単一の電源又は複数の電源を設けることができる。共振器は電源共振器又は機器共振器となるように設計しうるか、又はこれら共振器はレピータとなるように設計しうる。ある場合には、共振器を同時に機器及び電源の共振器とすることができ、又は共振器を電源としての動作から機器又はレピータとしての動作へ切換えることができる。当業者により理解されるように、種々のシステム構造を、ここに開示する広範囲の共振器設計及び機能性により裏付けすることができる。
【００２９】
開示する無線エネルギー伝送システムでは、無線で供給する電力又はエネルギーを用いて、遠隔機器に直接附勢することができ、又は機器を、バッテリ、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタ、等のようなエネルギー蓄積ユニット（又はその他の種類の電力ドレイン部）に結合させることができ、エネルギー蓄積ユニットには無線で充電又は再充電することと、無線電力伝送機構が単に機器の主たる電源に対する補助となるようにすることとの双方又は何れか一方が達成されるようにすることができる。機器は、蓄積キャパシタ等が一体化されたバッテリのようなハイブリッドバッテリ／エネルギー蓄積機器により附勢するようにしうる。更に、新規なバッテリ及びエネルギー蓄積機器は、無線電力通信システムにより動作上の改善を達成しうる利点が得られるように設計することができる。
【００３０】
電力管理シナリオには、附勢される機器がオフ状態にあったり、アイドル状態にあったり、スリープモード等にある間に、無線で供給される電力を用いてバッテリを再充電するか又はエネルギー蓄積ユニットを充電することが含まれる。バッテリ又はエネルギー蓄積ユニットは、高速又は低速で充電又は再充電するようにしうる。又、バッテリ又はエネルギー蓄積ユニットは、トリクル充電又はフロート充電するようにしうる。又、複数の機器を並列で同時に充電又は附勢させることができ、又は複数の機器への電力供給を直列化して、１つ以上の機器がある期間の間電力を受け、その後に他の電力供給が他の機器に切換るようにしうる。又、複数の機器が、１つ以上の電源からの電力を１つ以上の他の機器と同時に、又は時分割多重化法で、又は周波数分割多重化法で、又は空間分割多重化法で、又はオリエンテーション分割多重化法で、又はこれらの任意の組合せ法で共有するようにしうる。又、複数の機器が電力を互いに共有し、少なくとも１つの機器が連続的に、又は間欠的に、又は周期的に、又は時々、又は一時的に再構成されて無線電源として動作するようにすることができる。当業者にとって明らかなように、機器を附勢するか又は機器を充電する或いはこれらの双方を達成する種々の方法が有り、これらの種々の方法をここに開示する技術及び分野に適用することができる。
【００３１】
無線エネルギー伝送は、ロボット、又はビークル、又はコンピュータ、又はＰＤＡ、又はこれらの類似機器のような機器が部屋内に配置されているか又は部屋内で自由に移動している場合に、例えば、電源（例えば、電力供給網に接続された電源）を天井に、又は床下に、又は部屋の壁部内に配置することを含む種々の可能な分野を有する。他の分野には、バス及びハイブリッドカーの双方又は何れか一方のような電気エンジンビークルや、着用可能な又は植込型機器のような医療機器を附勢又は再充電することを含むことができる。更なる例示的な分野には、自律的な電子機器（例えば、ラップトップ型コンピュータ、携帯電話、携帯音楽プレーヤ、家庭用ロボット、ＧＰＳナビゲーションシステム、ディスプレイ、等）や、センサや、産業的な製造装置や、医療機器及びモニタや、家庭電化製品及び工具（例えば、光源、扇風機、ドリル、のこりぎ、ヒータ、ディスプレイ、テレビジョン、調理台電気器具、等）や、軍事機器や、加熱式及び照明式衣類や、ビークル内に組込んだ装置を含む通信及びナビゲーション装置や、ヘルメット、防弾チョッキ及びベストのような衣類及び防護装着具や、その他を附勢する又は再充電する能力が含まれるとともに、電力を物理的に分離された機器に、例えば、植込型医療機器に、或いは隠れた又は埋込まれた又は植込まれた又は組込まれたセンサ又はタグに、或いは屋根上の太陽電池パネルに又はこの太陽電池パネルから屋内の配電パネルに又はこれらの双方に、或いはその他に送信する能力が含まれる。
【００３２】
本発明の開示全体に亘り、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、スイッチ、等のようなある回路構成要素を回路コンポーネント又は素子として参照することができる。又、これらの構成要素の直列及び並列の組合せを素子、回路網、トポロジー、回路、等として参照することができる。又、キャパシタ、ダイオード、バラクタ（バリキャップ）、トランジスタ及びスイッチの何れかの直列及び並列の組合せを、可調整のインピーダンス回路網、同調回路網、整合回路網、調整素子、等として表現しうる。又、対象全体に亘って分布された（又は単に一括とするのとは対照的に部分的に分布された）キャパシタンス及びインダクタンスの双方を有する“自己共振”対象を参照することもできる。又、当業者にとって明らかなように、回路又は回路網内の可変構成要素を調整及び制御することにより、この回路又は回路網の性能を調整することができ、これらの調整を一般に、同調、調整、整合、補正、等として表すことができる。無線電力伝送システムの動作点を同調又は調整する他の方法を、単独で又はインダクタ及びキャパシタ又はインダクタ及びキャパシタのバンク（ブロック）のような同調可能な構成要素を調整することに加えて用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、２つの整列させた共振器コイルを示す斜視図である。
【図２】図２は、２つの非整列となった共振器コイルを示す斜視図である。
【図３】図３は、互いに直交に配向させた２つの共振器コイルを示す斜視図である。
【図４】図４は、２つの整列させた平坦な（プレーナ）共振器コイルを示す斜視図である。
【図５】図５は、２つの非整列となった平坦な共振器コイルを示す斜視図である。
【図６】図６は、無線対応バッテリを示す切欠図である。
【図７】図７は、２つの無線対応バッテリを逆平行配置した状態を示す切欠図である。
【図８】図８は、近接配置した２つの無線対応バッテリの２つの共振器コイル間の縦方向シフト量（オフセット）に対する結合係数を示すプロット図である。
【図９】図９は、２つの無線対応バッテリを平行配置した状態を示す切欠図である。
【図１０】図１０は、ヘルメットに対する無線エネルギー伝送用システムの一実施例を示す線図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、縦方向に整列させたダイポール（双極子）構造体を示す線図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、横方向に整列させたダイポール構造体を示す線図である。
【図１２】図１２は、磁気材料のブロックを囲むように巻つけた導電体を有する２つの共振器を示す線図である。
【図１３】図１３は、ヘルメットに無線エネルギー伝送するシステムの一実施例を示す線図である。
【図１４】図１４は、エネルギー伝送効率をヘルメット無線エネルギー伝送システムに対する方位角の関数として示すグラフ線図である。
【図１５】図１５は、エネルギー伝送効率をヘルメット無線エネルギー伝送システムに対するコイル距離間隔の関数として示すグラフ線図である。
【図１６】図１６は、複数の電源共振器及び複数の機器共振器を用いてヘルメットにエネルギーを伝送するシステムの一実施例を示す線図である。
【図１７】図１７は、肩部装着式電源共振器を用いてメガネにエネルギーを伝送するシステムの一実施例を示す線図である。
【図１８】図１８は、ビークルの横方向変位又は左右位置決めの不確実性を許容する電源共振器及び機器共振器の相対的寸法を示す線図である。
【図１９】図１９は、磁気材料の単一のブロックを有する共振器を示す斜視図（ａ）及び磁気材料の複数のブロックを有する共振器を示す斜視図（ｂ〜ｄ）である。
【図２０】図２０は、磁気材料の１つ以上の分離ブロックを有する共振器間の無線電力伝送特性を比較するのに用いる複数の共振器構造（ａ〜ｃ）を示す斜視図である。
【図２１】図２１は、各々に導電体が巻つけられた磁気材料の４つの分離したブロックを有する共振器を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、導電体巻線がスタッガ配置された磁気材料の２つのブロックを有する共振器（ａ）を示す頂面図及び磁気材料の２つのブロックを有しこれらブロック間の間隔を減少させる形状とした共振器（ｂ）を示す頂面図である。
【図２３】図２３は、環状構造体を示す透視図である。
【図２４】図２４は、環状構造体を示す切断図である。
【図２５】図２５は、共振器構造体を示す斜視図である。
【図２６】図２６は、機器共振器構造体及び電源共振器構造体の位置決めを示す斜視図である。
【図２７】図２７は、エネルギー伝送に当っての環状構造体の効率（ａ〜ｃ）を示す説明図である。
【図２８】図２８は、環状共振器構造体を有するビークルを示す線図である。
【図２９】図２９は、１つの導電体巻線を有する平坦共振器を示す斜視図である。
【図３０】図３０は、１つの導電体巻線を有する平坦共振器を示す切断図である。
【図３１】図３１は、２つの導電体巻線を有する平坦共振器を示す斜視図である。
【図３２】図３２は、２つの導電体巻線を有する平坦共振器を示す切断図である。
【図３３Ａ】図３３Ａは、最小の折曲げ隆起部の影響を示す線図である。
【図３３Ｂ】図３３Ｂは、導電体を垂直に延在（ルーティング）させていることを示す線図である。
【図３３Ｃ】図３３Ｃは、他の最小の折曲げ隆起部の影響を示す線図である。
【図３３Ｄ】図３３Ｄは、導電体を斜めに延在させていることを示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（無線式バッテリ構造）
共振器及び電子機器はバッテリと一体化させるか又はバッテリに隣接させて位置させ、バッテリに無線エネルギー伝送しうるようにし、これによりバッテリパックの無線充電を行い得るようにしうる。共振器及び制御回路を加えることにより、バッテリ及びバッテリパックを、充電器内に正確に配置する必要なしに電源からエネルギーを無線で捕捉し且つ再充電するようにしうる。無線式バッテリ及びバッテリパックは、ホスト機器を外部のエネルギー供給源内に物理的に差し込む必要なくホスト機器内で外部の無線電源から無線で再充電できる。
【００３５】
図６は、磁気共振器を有する無線式バッテリの一例を示す。本例のバッテリは、磁気材料６０８の随意のブロックを囲んで巻回した共振器コイル６０６を有する。磁気材料６０８のブロックは中空としうるとともに、電力及び制御回路（図示せず）と、随意ではあるが磁気共振器により捕捉されるエネルギーにより再充電しうる再充電可能バッテリ６０４とを収容できる。磁気共振器は、インダクタ及びキャパシタを有することができるとともに、コイル状の誘導素子６０６を有しうる。本例では、無線式バッテリは、従来のＡＡバッテリのフォームファクタ６０２内にあり、通常従来のＡＡバッテリを収容する機器内に配置しうる。無線式ＡＡバッテリは、機器内にある際に外部の無線エネルギー源から充電するようにしうる。実施例では、無線式ＡＡバッテリが外部の無線エネルギー源からエネルギーを捕捉し、電力をホスト機器に直接供給するようにしうる。
【００３６】
図６に示す無線式ＡＡバッテリのような、無線で再充電しうるバッテリは、種々の構造で機器内に配置しうるようにする。ある種の機器は単一のバッテリのみを必要とするが、他の機器は、互いにすぐそばに配置しうる２つ以上のバッテリを必要とする場合がある。従って、無線式バッテリにおける共振器は、個別的に又は他のバッテリにおける共振器に対しすぐそばで動作するようにする必要がある。
【００３７】
互いに隣接させて、又は近接させて、又はすぐそばに配置した共振器は、互いのパラメータ、特性、無線エネルギー伝送性能、等に互いに影響を及ぼすおそれがある。共振器の電力及び制御回路の構成要素及び共振器のインダクタンス、抵抗、キャパシタンス等のようなパラメータは、共振器が他の共振器のすぐそばに配置された場合に、変化するか影響を受けるおそれがある。共振器とこれらの電力及び制御回路とのパラメータに対する影響が、無線式バッテリにおける共振器と外部の無線エネルギー源との間の無線エネルギー伝送の性能に影響を及ぼすおそれがある。
【００３８】
例えば、共振器が他の共振器のすぐそばに配置されると、共振器ループのインダクタンスが影響を受けるか又は摂動状態となるおそれがある。インダクタンスが変化することにより、共振器が他の何れの共振器からも分離されているか又は遠く離れている場合に比べて共振器の共振周波数を摂動又は離調状態にするおそれがある。エネルギーを伝送する共振器の共振周波数が離調状態になることにより無線エネルギー伝送の効率を低減させるおそれがある。周波数の離調が充分に大きい場合には、エネルギー伝送の効率が低下し、１０％又は５０％又はそれよりも多く減少するおそれがある。本例ではインダクタンスの変化を用いたが、当業者にとって明らかなように、他の共振器が近接することによる共振器のパラメータの他の変化によっても、無線エネルギー伝送の性能に影響を及ぼすおそれがある。
【００３９】
無線式バッテリが機器を充電又は附勢するためにすぐそばに配置されている分野では、隣接するバッテリの共振器の接近が共振器のパラメータに影響を及ぼし、これにより外部の無線エネルギー源からエネルギーを受けるこれらの能力に影響を及ぼす（すなわち、電力の量又は無線エネルギー伝送の効率を低減させる）おそれがある。実施例では、個々の共振器の各々又は共振器の集合体に対する無線エネルギー伝送のパラメータに影響を及ぼすことなく、又はこの影響が最小限となるようにして、すぐそばにある共振器の群又は多数の共振器を有するようにするのが望ましい。
【００４０】
ある実施例では、共振器が他の共振器又は他の無線式バッテリから遠く離れている場合に、他の無線式バッテリの他の共振器のすぐそばにある場合と同様なパラメータで共振器が動作する又はエネルギーを伝送するようにするのが望ましい。無線式バッテリの場合には、例えば、ある種の機器が単一のバッテリのみを用い、他の機器が、互いにすぐそばに配置した２つ以上のバッテリを用いるようにしうる。実施例では、単一のバッテリを充電する際に、すぐそばに配置されたバッテリの群又はパックを充電する際とほぼ同じ性能及びパラメータで、同じ無線式バッテリが外部電源からエネルギーを受けることができるようにするのが好ましい。
【００４１】
本発明者は、無線式バッテリを他の無線式バッテリのすぐそばにある際に単独で又は群を成して充電する際に、無線エネルギー伝送のパラメータをそのまま維持する幾つかの方法及び設計を見出した。ある実施例では、無線式バッテリに動的同調能力を持たせて、これらのパラメータをそのまま維持するとともに、すぐそばにある他の共振器により生ぜしめられるおそれのある何れの摂動をも相殺するようにしうる。他の実施例では、無線式バッテリ内の共振器を静的に同調させて、すぐそばにある他の無線式バッテリの共振器による摂動を相殺するようにしうる。更に他の実施例では、無線式バッテリ内の共振器を、隣接のバッテリの共振器がすぐそばにあってもこれらの隣接のバッテリの共振器に関する摂動を低減させる又は最少にするように位置させうるようにする。
（無線式バッテリでの静的共振器同調による摂動の影響の低減化）
【００４２】
ある実施例では、共振器及び共振器アセンブリを、他の共振器のすぐそばにある状態で機能するように設計する及び同調させることができる。共振器又は共振器アセンブリは、他の共振器のすぐそばにある場合に所望のパラメータを有するように設計する又は同調させるようにしうる。例えば、共振器及び共振器アセンブリは、他の共振器の接近による如何なる摂動によっても、予備同調された共振器のパラメータを所望の値及び動作点の双方又は何れか一方に摂動させるように設計及び予備同調させるようにしうる。実施例では、機器の共振器を単独の場合に電源共振器よりも低い共振周波数を有するように予備設計するが、この共振周波数は、他の無線式バッテリの他の共振器がこの機器の共振器に近づいた場合に電源共振器の周波数に匹敵するように増大するようにしうる。共振器のパラメータは、この共振器が他の共振器のすぐそばにない場合に、これらパラメータの値がエネルギー伝送に対する所望の又は最適のパラメータよりも低く又は高くなるように予備同調させることができる。又、共振器のパラメータは、すぐそばの他の共振器又は他の無線式バッテリによる摂動が当該共振器の最適でないパラメータを所望のパラメータ及び最適なパラメータの双方又は何れか一方に変えるように予備同調させることができる。
【００４３】
無線式バッテリにおける共振器は、所望の動作周波数よりも低い又は高い共振周波数を有するように設計することができる。この低い又は高い共振周波数は、他の共振器による摂動が生じると思われるのと同じ量だけ所望の動作周波数から相違するように設計しうる。従って、固有の共振周波数を有するように設計した共振器は無線電力システムに対する所望の動作周波数である摂動共振周波数に達しうる。
【００４４】
群の無線式バッテリが分離状態にある場合に、各無線式バッテリの共振器が所望の動作周波数から離調するこれらの無線式バッテリを互いに群に配置するか又はすぐそばに配置するようにしうる。他の無線式バッテリの共振器により生ぜしめられる摂動により、各共振器を無線エネルギー伝送に対する所望のパラメータに離調させて、各無線式バッテリの各共振器が摂動に拘らず外部電源からエネルギーを受け得るようにすることができる。
【００４５】
他の共振器によるある摂動又は如何なる摂動をも相殺する共振器の静的離調、共振器の予備同調、共振器の同調は、異なる共振器の相対的な位置及び構造が固定されているか、又は部分的に固定しているか、又は相対的に静的である分野において有利なものとしうる。共振器及び共振器アセンブリを他の共振器に対して１つよりも多い構造で配置又は位置させうる環境又は分野では、１つの構造により共振器を他の構造の共振器とは異なるように摂動させる可能性がある為に、静的同調手段により性能特性を一定でないようにする可能性がある。
（無線式バッテリでの動的共振器同調による摂動の影響の低減化）
【００４６】
他の実施例では、共振器及び共振器アセンブリを動的な同調能力を有するように設計しうる。実施例では、無線式バッテリ内の共振器又は共振器アセンブリが同調可能な構成要素を具え、これらの要素により共振器及び無線エネルギー伝送のパラメータを調整して摂動の存在中に無線エネルギー伝送のパラメータを維持するようにしうる。同調可能な構成要素には、連続的に又は周期的に調整されて１つ以上の無線エネルギー伝送パラメータを維持するようにしうるキャパシタ、インダクタ、増幅器、抵抗、スイッチ、等を含めることができる。例えば、共振器の共振周波数は、共振器コイルに結合されたキャパシタンスを変えることにより調整しうる。共振器の共振周波数が他の共振器の存在により当該共振器の公称値から摂動されると、キャパシタを調整することによりこの共振周波数を調整しうる。共振器が異なる向き及び配置により生ぜしめられるおそれのある異なる摂動を相殺するのに動的同調を用いることができる。
【００４７】
実施例では、無線式バッテリにおける共振器の動的同調によれば、無線式バッテリを機器における単一バッテリとして用いる場合に、当該無線式バッテリが、共振器のパラメータが無線式バッテリの他の共振器により摂動されるおそれのある当該共振器の群又はパックにおける場合と同様なパラメータを有するようにすることができる。
（無線式バッテリでの位置決めによる摂動の影響の低減化）
【００４８】
実施例では、共振器の相互間の結合が弱くなるようにこれら共振器が設計及び位置決めされている場合には、これら共振器を互いにすぐそばに位置させ、共振器パラメータへの影響が最小となる又は許容しうるようにすることができる。低い相互インダクタンス（“ゼロ点”）を有する位置又は磁界振幅が低い領域内に又はその付近に共振器が配向及び位置している場合には、これら共振器を互いに弱い結合ですぐそばに位置するようにすることができる。
【００４９】
例えば、導電性の材料の同心的ループを共振器の誘導性素子として有する２つの容量装荷ループ共振器を考慮する。２つのこのような共振器ループをすぐそばに配置して結合が強い配向及び位置にすると、これらループは互いのパラメータに影響を及ぼす。例えば、図１に示すように、共振器コイル１０２及び１０４をすぐそばに配置するとともに同心的に配向させると、他の共振器の存在が共振器コイルのインダクタンスに影響を及ぼし、最終的にその共振周波数を摂動させるおそれがある。しかし、共振器コイルは、共振器の結合が弱くなるようにこれら共振器を位置決め及び配向させることにより摂動が減少するようにすぐそばに位置させることができる。例えば、共振器コイル１０２及び１０４の中心を図２に示すように互いにずらすと、これらの結合係数及び摂動の強さを減少させることができる。他の例では、２つの共振器コイルを図３に示すように互いに直交するように位置決めして、結合及び摂動の双方又は何れか一方を減少させることができる。２つの共振器が互いに低い結合を有するようにこれら共振器を位置決めすることにより、各共振器が他の共振器に生ぜしめる摂動を減少させる。図２のオフセット構造又は図３の直交構造では、摂動を相殺するために共振器の静的離調又は動的同調を必要とすることなく、２つの共振器を用いて外部のエネルギー源（図示せず）からエネルギーを有効に受けるようにすることができる。
【００５０】
磁気材料４０４のブロックを囲むように巻回（巻装）した導電体４０２を有する平坦な共振器コイルに対するような他の種類又は他の設計の共振器に対して同様な位置決め技術を用いることができる。２つのこのような共振器４０６及び４０８を図４に示すように互いにすぐそばに配置すると、これら共振器は強い結合を有し、互いのパラメータを摂動するおそれがある。しかし、これら共振器４０６及び４０８を図５に示すように非整列状態にすると、これら２つの共振器間の結合を減少させることができるとともに、これら共振器のパラメータに関する摂動も減少させることができる。
【００５１】
実施例では、互いにすぐそばにある共振器に関する摂動の影響を減少させるために、これら共振器が互いに弱い結合を有するようにこれら共振器を目的に沿って位置決めすることができる。これら共振器は一般に、磁界強度が低い領域内で及び誘導性素子を交差する磁束線の方向性が変化する領域内で互いに結合が弱くなるようにしうる。例えば、図２に示す共振器配置では、一方の誘導性素子内から発生されて他方の誘導性素子を交差する磁束量が、この一方の誘導性素子の外部に発生器されて他方の誘導性素子を交差する磁束量に等しく且つ逆となる場合に、これら２つの共振器間の結合係数にゼロ点が存在する。この種類の位置決めを有する共振器は、“ゼロ点”又は“ゼロ領域”にあると称することができる。共振器及び共振器アセンブリが弱い結合を有する正確な位置及び配向は、実験的に、数量的に、分析的に等で決定しうる。
【００５２】
共振器を結合が弱い領域に配置することにより、静的離調及び動的同調の双方又は何れか一方を必要とすることなく、共振器を、他の共振器から遠く離れた場合に、他の共振器のすぐそばにある場合と類似する性能及びパラメータで動作するようにしうる。実施例では、共振器を結合が弱い領域に配置することにより、同調能力を減少又は制限させて、共振器を、他の共振器から遠く離れた場合に、他の共振器のすぐそばにある場合と類似する性能及びパラメータで動作するようにしうる。
【００５３】
実施例では、互いにすぐそばにある共振器に関する摂動を減少させる位置決め技術によれば、動的同調による共振器の必要とする同調範囲を減少させることができるとともに、このようなシステムの費用及び複雑性を減少させることができる。
【００５４】
多くの機器では、バッテリは予測可能な構造及び配向の双方又は何れか一方で固定又は配向されている。例えば、ＡＡバッテリを用いている機器では、しばしば複数のバッテリが平行に配置され、図７に示すようにこれらの端子７０２及び７０４の極性を交互にして（逆並列構造にして）互いに隣接させて位置している。ＡＡバッテリの共振器はバッテリ内で、ある寸法、位置及び配向にし、２つ以上のバッテリが特定の配向で互いにすぐそばに位置するように配置されている場合に、バッテリ内の共振器に関する摂動を減少させるか又は最少にするようにしうる。
【００５５】
摂動を減少させるためには、２つのバッテリを逆極性で互いにすぐそばに位置する場合に、２つの共振器コイル７０６及び７１２が非整列となるように、バッテリ内の共振器コイル７０６及び磁気材料７０８をバッテリ内で非対称となる寸法及び配置となるようにしうる。共振器の非整列は、これら共振器が互いにすぐそばにあるとともに図７に示す配向にある際に、隣接の非整列の共振器が図２及び５に示す構造に類似する相互間の弱い結合の領域にあるように、従って、共振器のパラメータに関する摂動を減少させるか又は小さくすることができるように設計しうる。
【００５６】
例えば、ＡＡバッテリのフォームファクタにおける共振器コイルの一実施例の結合係数のプロット対非対称性を、図８の右側に示すバッテリの位置及び構造に対して図８に示している。プロットは、共振器コイル８０２と磁気材料８０４との間のオフセット（又は非整列）Ｄが変化する際の、２つの共振器間の結合係数ｋを示している。非整列（変位）Ｄが約１．３mmにあると、結合係数はゼロに達することに注意されたい。このノード点、又はゼロ点、又はゼロ交差点では、共振器のパラメータは、隣接のバッテリにおける共振器の存在により実際上影響を受けない。本例では、共振器が図８に示す構造にあった場合に、これら共振器の共振周波数は、これら共振器が互いに大きな距離だけ離間されている場合とほぼ同じに維持された。同様に、これら共振器が１．３mmだけ変位されると、バッテリが図８に示す分離及び構造にある場合に、共振器のクオリティファクタの変化（それぞれＱ≒１１８及びＱ≒１０８）は極めて僅かであった。
【００５７】
バッテリにおける共振器を相対的に非対称に整列させることにより、マルチセルパックの構造で且つバッテリが他の共振器のすぐそばにない単独構造で効率が高くなるように、これら共振器が外部電源の共振器からエネルギーを捕捉するように機能させる。従って、単一のバッテリ設計を複数の構造で用いて同様な無線エネルギー伝送特性が得られるようにしうる。このような設計が有利な理由は、この設計が、バッテリをこれらのホスト機器内に配置する能力且つ単一のバッテリ及びマルチバッテリ配置でバッテリ性能を予測しうることを知りうる能力である、ＡＡ（単三）のような既知のバッテリフォームファクタの所望特性の少なくとも１つを維持する為である。
【００５８】
ある実施例では、マルチセルバッテリ構造を図７に示すものとは異なる構造にすることができる。例えば、ある分野では、全てのバッテリを同じ極性で整列させ、全ての正の端子が同じ側にあるようにしうる。これらバッテリの位置及び設計は、これらの構造で動作するように適合させることができる。
【００５９】
一実施例では、ホスト機器のバッテリ区画室内でのバッテリの配向及び位置に応じてバッテリを２つ以上の構造にすることができる。例えば、全てのバッテリが一方向に向かって同じ極性で整列された構造では、２つの異なるバッテリ構造を用いることができる。図９に示すように、一方の種類のバッテリは、このバッテリの正の端子９１０の方向に向かって非対称に配置した共振器コイル９０８及び磁気材料９１２を有し、他方の種類のバッテリは、このバッテリの負の端子９０２に向かって非対称に配置した共振器コイル９０４及び磁気材料９０６を有するようにしうる。このような実施例では、これらバッテリが、これらバッテリを識別するための追加のマーキングを有するようにしうる。例えば、バッテリを色分けするか、又は端部の端子を、バッテリが図７に示すように配置した際に動作するように設計されているか又は図９に示すように配置した際に動作するように設計されているかを表すように成形することができる。当業者にとって理解されるように、種々のマーキング案を用いてバッテリの種類を識別することができ、一般的なマルチセル構造、配向及び位置に対処するにはバッテリの種類が多数であることが望ましい。マルチセル構造でバッテリを交互にすることにより、共振器は他の共振器のすぐそばにある際に他の共振器との弱い結合の領域内にあるようにしうる。
【００６０】
他の実施例では、共振器の位置を調整しうるようにして、ユーザがバッテリ上で共振器を上下に位置決めしうるようにする。共振器は可動套管上に例えば２か所の位置で装着する。バッテリの方位を交互にしたマルチセル構造の場合、共振器を有する套管の全てをバッテリの一端に配置することができる。全てを同じ方向に配向させたバッテリを有するマルチセル構造の場合、交互のバッテリに対し位置を変えることができる。
【００６１】
他の実施例では、バッテリに金属シールド及び磁気シールドの双方又は何れか一方を設けて、これらバッテリが隣接のバッテリ又は機器と相互作用するのを回避するようにしうる。これらのシールドは、第１のバッテリの共振周波数を第２のバッテリの存在により変化させるのを、又その逆を阻止するように配向させることができる。これらのシールドは非対称とし、ユーザがバッテリを回転させることにより隣接バッテリから遮蔽されるが電源から遮蔽されないようにしうる。
【００６２】
更に他の実施例では、バッテリが設定可能な又は切換え可能な極性を有するようにしうる。実施例では、バッテリの正及び負の端部又は端子を逆にすることができる。バッテリ内の共振器の位置及び配向は非対称な位置で固定させることができ、互いにすぐそばにある共振器の相対的位置を、バッテリを回転させることにより変えるようにすることができる。端子の適切な極性は、アダプタ、スイッチ等を有する分野の条件に応じて選択するようにしうる。
【００６３】
実施例では、共振器をバッテリ容器内で自動的に移動させ、これら共振器を、他の共振器のすぐそばにある際に最大のエネルギー伝送効率が得られるように位置させる自動位置決め機構をバッテリが有するようにしうる。例えば、共振器が永久磁石を有し、これら永久磁石が、互いに反発されるとともに隣接バッテリの共振器を互いに離す方向に移動させるように配置されるようにしうる。他の実施例では、バッテリがフィールドセンサ、電圧センサ、電流センサ、電力センサ、等を有し、これらセンサを位置決めシステムに用い、バッテリ構造内で磁気共振器を移動させて無線電力伝送効率を改善するようにすることができる。更に他の実施例では、センサを用いてバッテリを設置するユーザにフィードバック情報を与え、バッテリパックをひねるか又は旋回させるか、或いは何とかしてその相対的な位置及び配向を変えて、無線エネルギー伝送性能を改善するようにしうる。実施例では、センサを用いて、あるバッテリ構造に問題があることをユーザに指示するようにすることができる。
【００６４】
バッテリ内の共振器の非対称位置決めは種々のバッテリ形式及び寸法で用いることができる。ＡＡバッテリ構造を例示的に説明したが、当業者にとって明らかなように、上述した技術は種々の異なるバッテリ形式に適用でき、且つ複数の個々のバッテリを有するバッテリパックの種々の構成配置に適用しうる。
（他の適用分野）
【００６５】
当業者にとって明らかなように、すぐそばにあるバッテリ内の摂動を制限する上述した技術は多くの他の適用分野に用いることができる。これらの技術は、複数の機器の共振器は、これら共振器がそれぞれの他のパラメータに影響を及ぼすおそれがある程度にすぐそばに或いは充分接近させて配置しうる如何なる適用分野にも用いることができる。
【００６６】
例えば、無線機器の共振器を有する複数の機器は、これらの複数の機器を無線エネルギー源上又はその付近に配置する場合に、すぐそばの他の同様な機器に関する摂動を低減させるように位置決めしうるようにする必要がある。実施例では、各機器の共振器がすぐそばの他の機器の共振器に対し弱い結合を有する位置及び配向に複数の機器を強制移動させる又は位置決めするスロット、条溝、マーカー、輪郭等を有するように電源を構成することができる。
【００６７】
互いにすぐそばにする又は接近させるとは、距離の絶対的尺度ではなく、共振器の相対的寸法、共振器の種類、共振器の電力伝送レベル、等に依存する。実施例では、共振器は、これら共振器がシステム中の最も大きな共振器の１つの特徴的寸法よりも短い距離だけ分離されている場合に、すぐそばにあるとみなすことができる。他の実施例では、共振器は、これら共振器がシステム中の最も大きな共振器の２つ又は３つの特徴的寸法だけ分離されている場合に、すぐそばにあるとみなすことができる。ある実施例では、共振器は、これら共振器が他の各々のパラメータを摂動して無線エネルギー伝送の効率を少なくとも５％だけ影響を及ぼすのに充分接近している場合に、すぐそばにあるとみなすことができる。
【００６８】
ここで用いる弱い結合とは、絶対的結合測定基準を言及するのではなく、相対的結合値を言及するものである。弱い結合の領域とは、結合が、固定の分離距離で２つの共振器に対する可能な最大結合の少なくとも２分の１となる領域であると理解すべきである。
【００６９】
無線エネルギー伝送システムは、ベスト、バックパック（リュック）、ハーネス、シャツ、パンツ、ベルト、コート又は何らかの種類の衣服等に装着された１つ以上の中央のバッテリ、燃料電池、太陽電池パネル、他の種類のエネルギーパックの任意の組合せ又は任意の１つから、頭部に装着された又はヘルメットに装着された電気又は電子機器にエネルギーを無線伝送するのに用いることができる。無線エネルギー伝送システムは、強力に結合された磁気共振器を用いることができる。これら共振器は高いクオリティファクタＱ（＞１００）を有するようにしうる。エネルギーを交換する２つの共振器は平方根（Ｑ１Ｑ２）＞１００を有する。このシステムは少なくとも１つの無線エネルギー源の共振器を有し、この共振器はユーザの装置、衣服、ベスト、バックパック、等に埋込むか又は取付けることができる。電源の共振器は、ヘルメット又は機器と一体化しうる１つ以上のエネルギー捕捉機器の共振器により受けることができる発振磁界を発生する。実施例では、５ワット以上の電力を、電源の共振器から１０cm又は１８cm又はこれよりも大きい空隙を介して機器の共振器に伝送するようにしうる。実施例では、無線エネルギー伝送システム内にレピータを用いることができる。
【００７０】
システムの一構成を開示する代表的な実施例を図１０に示す。この代表的な実施例では、エネルギーは、人１０１０のベスト１０１２に装着した電源の共振器１００６から、ヘルメット１００４の後部に装着したエネルギー捕捉機器の共振器１００２に無線伝送される。電源の共振器１００６は人１０１０が所持するバッテリ（図示せず）により附勢することができる。電源の共振器１００６は、エネルギー捕捉機器の共振器１００２に電流を誘起する発振磁界を発生する。機器の共振器１００２に誘起された電気エネルギーは、ヘルメット１００４に装着された又は取付けられた電気又は電子機器１００８を附勢するのに用いることができる。従って、エネルギーは、機器と人１０１０が所持する主たるバッテリとの間にケーブルが無い状態で、空隙１０１４を介して、人の頭部上の電力機器１００８に無線伝送される。
【００７１】
無線エネルギー伝送は、入念に設計された高品質の磁気共振器であって他の磁気共振器に強力に結合されたものに基づいており、電力は１つの共振器から磁界を介して他の共振器に選択的に且つ有効に伝送され、他の近くの非共振対象に対して消失又は消散される電力が極めて少なくなるようになっている。システムでは、人の頭部の動き、共振器の装着変化、等による共振器の位置決め又は動きの変化に際してエネルギー伝送を確実にする必要がある。
【００７２】
実施例では、システムが任意の個数の共振器及び共振器構造体を用いるようにしうる。多数の適切な共振器構造体は、２０１０年９月２３日に米国特許出願公開第２０１０／０２３７７０９Ａ１号として公開された米国特許出願第１２／７８９，６１１号明細書に開示されている。例えば、磁気材料のブロック又は種々の構造体を囲んで巻回した導電体を有する、いわゆる平坦（プレーナ）共振器構造体を用いることができる。同様に、遮蔽を行った又は行っていない種々の異なる形態の容量装荷ループ共振器を採用することができる。実施例では、選択した共振器の種類、これらの配向、寸法、等は、適用分野の詳細や、所望のオフセットトレランス、寸法限界、電力伝送効率、目標とする重量仕様、等に依存させることができる。
【００７３】
実施例では、ヘルメットエネルギー伝送のための人への装着体（例えば、ベスト）に対しては、種々のダイポールモーメント及び配向を有する種々のコイル構造を有効なものとしうる。実施例では、２つの異なるダイポールモーメント配向及び構造に対し共振器を配向させることができる。図１１Ａ及び図１１Ｂは、縦方向に整列させた共振器と横方向に整列させた共振器との２つの異なるダイポール配向を示している。図１１Ａは、縦方向に整列したダイポールモーメントを有する構造を示している。図１１Ｂは、横方向に整列したダイポールモーメントを有する構造を示している。平行又は横方向に整列した構造の利点は、ベスト上の磁気ダイポール共振器の両端をヘルメットの共振器に結合しうるということである。平行構造には、その寸法、形状及び重量に関する利点もある。代表的な環境では、０．１７kgのヘルメット‐共振器及び１．１kgのベスト‐共振器の重量に対しｋ＝０．０２の結合係数が達成された。又、平行構造における各共振器の形状は、縦方向の構造の場合よりもヘルメット及びベストの双方に対し一体化するのにより一層適したものとしうる。
【００７４】
共振器の寸法及び重量に関して制約した共振器のオフセット及び距離の範囲に亘って人体上の電源共振器から頭部及びヘルメットの双方又は何れか一方の上の機器共振器への適切なエネルギー伝送を達成させるためには、共振器を横方向に整列されたダイポールモーメントを有するように配向させるのが好ましい。整列されたダイポールモーメントを有する共振器は種々のいわゆる平坦共振器構造体とすることができる。平坦共振器構造体を有するシステムの実施例を図１２に示す。ヘルメットに装着された機器共振器コイル（ヘルメットコイル）及びベストに装着された電源共振器コイル（ベストコイル）の双方は、磁気材料１２０２及び１２０６のブロック又はコアをそれぞれ囲んで巻回した導電体１２０４及び１２０８をそれぞれ有する。この構造では、２つの共振器が有するダイポールモーメントを互いに平行又は横方向にしてある。
【００７５】
横方向に整列させた共振器を有する代表的な実施例は、システムの実現可能性及び性能を実証するために用いた。この代表的な実施例では、ヘルメット上に装着されたエネルギー捕捉機器の共振器は、１６０ｇの３Ｆ３フェライト材料を囲んで１０巻回だけ巻回した１０５４／４４ＡＷＧリッツ線を有するとともにＱ＞２００を有する。ベストに装着した共振器は、同じ種類のリッツ線を１０巻回だけ巻回したポリマ套管内に入れた２１５ｇのフェライトを有し、図１２に示すものに類似する平坦型共振器を形成しているとともに、Ｑ＞２００を有している。
【００７６】
ユーザのベスト内に装着したリチウムイオンバッテリパックは、電源共振器に対する電力及び制御回路を収容している電子機器ボードに対する電源として用いうる。ヘルメット装着共振器は、整流器及び出力電圧調整器を有する小型の機器ボードに接続されている。この出力電圧調整器は５Ｖの直流電圧用に設定し、デモンストレーションの目的のためにＬＥＤヘッドライトに接続した。
【００７７】
ヘルメット及びベストの双方の共振器に対し用いたフェライト材料は、共振器を平行六面体形状に形成するように積み重ねた小型の方形タイルより成っている。このように加工した共振器はヘルメット及びベストの双方の自然の輪郭に適合するように製造しうる。このことは、個々のタイル上に角度面を研磨形成するか又は特注の型内で磁性粉を焼結させることにより達成しうる。
【００７８】
図１３は、効率及び電力を頭部の位置の関数として測定するのに用いた実験上の構造を示す。電源共振器１００６は、人１０１０が着ているベスト１０１２に装着させた。機器又はエネルギー捕捉共振器１００２はヘルメット１００４の後側に装着させた。機器共振器により捕捉されたエネルギーを用いて、ワイヤを介してヘルメット上のヘッドライト１００８を附勢した。無線エネルギー伝送のパラメータを測定しながら分離距離１０１４や方位角又は頭部回転角を修正した。
【００７９】
電源共振器と機器共振器との間の分離距離を１２cmとした場合の方位角の関数としてのエネルギー伝送効率を図１４に示す。これらの共振器が整列されていると、エネルギー伝送効率は殆ど６０％に達する。頭部が方位角方向で約６０度だけ旋回すると結合係数にゼロが生じ、これがエネルギー（電力）伝送効率の低下として図中に現れる。このゼロは、共振器をこれらのダイポールモーメントに沿って拡大することにより、より大きな角度に延長又は移動させることができる。
【００８０】
エネルギー伝送の効率を電源共振器と機器共振器との間の分離距離の関数として図１５のグラフに示してある。このグラフが示すように、共振器が１２cmの固定距離に対して同調されていても、エネルギー伝送効率は７．５cm〜１５cmの分離距離の変化に対しては５０％よりも高くに維持される。
【００８１】
実施例では、頭部又はヘルメット上の又はこれらを囲む如何なる個数の機器、センサ、電子機器、通信装置、等をも附勢するのに、捕捉したエネルギーを用いることができる。機器共振器からのエネルギーは交流電流として直接用いることができるか或いは直流電流を生じるように調整又は整流することができる。実施例では、システムにヘルメット又は頭部上の小型のエネルギー蓄積素子を設け、この素子を機器共振器により捕捉されたエネルギーで充電するようにしうる。このエネルギー蓄積素子は、無線エネルギー伝送が中断された場合に、エネルギーを機器に供給するのに用いうる充電式バッテリ又はスーパーキャパシタとすることができる。例えば、ユーザが自身の頭部を回転させて共振器結合におけるゼロ点に到達すると、無線エネルギー伝送が中断するおそれがある。この時間中、小型のバッテリ又はスーパーキャパシタにおけるエネルギーを用いることにより、電子機器への電力供給を続けることができる。エネルギー蓄積素子は、特定の使用のシナリオに対する無線エネルギーの中断の予期される又は最大の時間に応じた寸法としうる。例えば、ユーザが自身の頭部を、無線エネルギー伝送がもはや有効でない領域まで旋回させる頻度又は時間を検査する使用調査を行うことができる。エネルギー蓄積素子は、エネルギー伝送を再度可能とする際に、これらの時間中に機器にエネルギーを供給して再充電するだけの寸法としうる。従って、エネルギー蓄積素子は、連続的に機器を附勢することを要求されるバッテリに比べて小型又は軽量にすることができる。
【００８２】
他の実施例では、電源共振器及び機器共振器を、人の頭部の移動範囲内のデッドスポットを低減させるか又は排除するように構成することができる。代表的な一実施例では、複数の電源共振器を無線エネルギー源として用いることができる。これら複数の電源共振器を頭部の旋回に応じて選択的に駆動するようにしうる。磁界を設定するための異なる位相又は振幅を有する発振電流に応じて、結合が最大の電源共振器のみを作動させるか又は電源共振器の幾つか又は全てを駆動するようにしうる。
【００８３】
代表的な一実施例では、図１６に示すように、複数の機器共振器１６１２、１６１０及び１６０８を用いて電源共振器１６０６、１６０４及び１６０２の１つ以上からエネルギーを捕捉することができる。これら複数の機器共振器は、頭部の旋回１３０２に応じて選択的に作動させることができる。電源に対する最強の結合を有する機器共振器のみを作動させるか、或いは３つの全ての又はそれ以上の機器共振器を作動させてこれらが捕捉した電気エネルギーを合成してバッテリを充電させるか又は電子機器を附勢させるようにしうる。システムには、電源及び機器間のエネルギー伝送の効率及びエネルギー伝送の電気特性を測定するコントローラを設けることができる。電源共振器に関する電圧及び電流と、機器共振器に関する電圧及び電流とを測定することにより、コントローラは、これらの測定に応じて幾つかの又は全ての電源を附勢する積極的な選択を行うことができる。
【００８４】
実施例では、機器共振器又は電源共振器を用いてバッテリを外部の無線エネルギー源から充電するようにしうる。人が装着する電源共振器は、通常エネルギーをヘルメットに伝送するのに用いることができるが、外部の電源からエネルギーを捕捉して人が装着した中央のバッテリをこの共振器が無線で再充電する構成にすることもできる。人が装着する電源共振器は、機器共振器となるように構成することができる。電子機器は、電源増幅器の機能性から整流器及びバッテリ充電器の機能性までの構成としうる。外部の電源共振器は、ビークル内で座席の後部に、ベッドに及び他の構造体に装着し、人がビークル内に着席したり、ベッドで休息したりした際等で、人に装着した共振器にエネルギーを無線で供給するようにしうる。
【００８５】
実施例では、電源共振器を、人の肩、背、正面、首、胸、腹、腰、臀部、大腿部、手、足及び腕に配置するようにしうる。エネルギーを捕捉しうる機器共振器は、ヘルメットの側部、後部、頂部等や、頭部や、頭部装着機器の上に配置することができる。これらの機器共振器は、ヘルメットの外側に位置させるか、又はヘルメットの内部を覆うように構成し、これを外部摩擦及び損傷から保護するようにしうる。
【００８６】
代表的な実施例ではベストからヘルメットへの無線エネルギー伝送システムを説明したが、この設計の範囲内には他の構造があることを理解すべきである。エネルギーは、人が所持しうる又は人に取付けうる任意の個数の周辺機器に人から伝送しうる。例えば、エネルギーをメガネ、ヘッドアップディスプレイ、携帯モニタ、等に伝送しうる。メガネを装着したヘッドアップディスプレイに無線エネルギー伝送するための代表的な実施例を図１７に示す。このヘッドアップディスプレイは、メガネ１７０２の側部又はこめかみ部１７１２に装着した機器共振器１７１０を有しうる。電源共振器１７０８は人の肩領域上に装着しうる。この電源共振器１７０８は、人の背部又は側部に設けることのできる、人に装着したバッテリから附勢し、重いバッテリ又はエネルギー蓄積素子をメガネから排除するようにしうる。
【００８７】
他の実施例では、ベストから、武器、コンピュータ、工具、等のようなユーザが所持する機器にエネルギーを伝送するようにしうる。又、エネルギーは脚部からセンサと一体化しうる靴に伝送し、歩長、血圧、動き、等を測定することにより人の脚部の健康又は体全体の健康状態及び安定性を監視するようにしうる。
【００８８】
軍用ヘルメットを用いる代表的な実施例を説明したが、同様に、娯楽用、工業用及びその他の使用のための如何なるヘルメット又は如何なる頭部装着構造体に対しても上述した設計を行うことができること、当業者にとって明らかである。例えば、無線エネルギー伝送をオートバイ用ヘルメットに対して用いて、ラジオ、光源及びヘルメット内の機器を附勢するようにしうる。他の例では、無線エネルギー伝送をオートバイ用ヘルメットに用いて、エネルギーをバックパックから、光源が装着されたヘルメットに伝送するようにしうる。更に他の例では、無線エネルギー伝送を安全帽に対して用いて、光源、ラジオ、センサ、メガネ、等を附勢するのに用いるようにしうる。
【００８９】
人が装着した周辺機器に対する無線エネルギー伝送の実施例では、各電子機器に対する別々の機器共振器をシステムに設けることができる。各機器に対し独自の共振器を設けることにより、電力制御を簡単にすることができる。この場合、各機器がオフ状態にあるか又は電力を必要としない場合に、各機器が自身の共振器を制御し、この共振器を電源の共振周波数から離調させるようにすることができる。ある実施例では、電力を必要とする機器に機器共振器を内蔵させることができる。他の実施例では、単一の電源共振器により多くの機器共振器を附勢するようにしうる。
【００９０】
他の実施例では、機器共振器を機器から分離させるようにしうる。機器共振器は電力を必要とする機器から分離させて配置することができる。機器共振器により捕捉されたエネルギーは導電体ワイヤを介して機器に伝送するようにしうる。分離されワイヤ接続された機器共振器は、電源共振器に接近した位置で、又はユーザに対して目障りとならない位置で機器から離して配置することができる。例えば、図１０に示すヘルメットの実施例では、機器共振器１００２をヘッドライト１００８から離れた距離の位置に配置し、エネルギーを機器共振器からワイヤ（図示せず）を介してヘッドライトに伝送する。本例では、機器共振器が、ユーザに対する不便さ及び障害を低減させるように配置されている。
【００９１】
ある実施例では、単一の機器共振器により１つよりも多い電子機器に電力を供給しうるようにする。実施例では、エネルギー伝送を複数の領域又はサブシステムに分けるようにしうる。例えば、無線エネルギー伝送は、ワイヤが邪魔となるか又は効果を生じない人の動きのある部分又は領域を測定するのに用いることができ、無線伝送した時点で、この無線エネルギー伝送がワイヤ、プリント回路板（ＰＣＢ）配線、導電性織物、等のような導電体を用いる従来の手段に分散されるようにしうる。例えば、ヘルメットをこのようなサブシステムとしうる。単一の機器共振器は無線でエネルギーを受け、このエネルギーを、ワイヤを用いてヘルメット上の又はヘルメット付近の複数の機器に分散させるようにすることができる。他のこのようなシステムには、手、靴、腕、等を含むようにしうる。実施例では、サブシステムが、１つよりも多い電源共振器からエネルギーを無線で受けることのできる機器共振器を１つよりも多く有し、このエネルギーをサブシステム中の１つ以上の機器に亘って分散させるようにすることができる。
【００９２】
実施例では、機器共振器が機器のバッテリ又はバッテリパックに内設されるようにしうる。機器のバッテリは、これらバッテリを無線エネルギー源の範囲内である場合に再充電させる無線エネルギー伝送用に構成することができる。例えば、無線エネルギー伝送可能化バッテリの標本設計は、“wireless Energy Transfer for Rechargeable Batteries ”と題し公開されている米国特許出願第１３／５３４，９６６号に開示されている。この米国特許出願の内容は参考のために導入されるものである。
【００９３】
実施例では、人に装着されるエネルギー転送システムに安全対策を講じることができる。ある種類の組織では、発振磁界により局部的な組織の加熱又は誘導電流を生ぜしめるおそれがある。共振器の位置及び配向によっては、ユーザの身体組織又は神経系に達する電源共振器の電力出力又は磁界の大きさを制限することが重要になる場合がある。図１３に示す例示的なシステムでは、ユーザの脊髄及び神経系組織に接近しているにもかかわらず、全ての安全性限界を満足して、５ワットが機器共振器に安全に伝送された。安全性限界を満足させるには、共振器を１５０ｋHz以上の高周波の共振周波数で動作させるのが好ましい。ある実施例では、共振周波数及び発生磁界の周波数を１ＭHz以上とすることができる。
【００９４】
実施例では、機器共振器の高出力（１０Ｗ以上）の電源を囲む遮蔽材料をシステムに設け、エネルギー伝送に用いられる磁界と人の体の部分との相互作用を制限又は減少させるようにすることができる。この遮蔽材料は良好な導電体を有するようにしうる。導電体の遮蔽体は、ユーザの体の一部分に対向させて配置し、電源の磁界がユーザの体のこの部分から離れるように偏向されるようにすることができる。実施例では、遮蔽体が可撓性の導電体を有するようにしうる。この導電体は例えば、銅の薄板又は導電性の織物とすることができる。
【００９５】
図１３に示すようなヘルメットに無線エネルギー伝送する代表的な実施例に戻るに、システムには、磁界と頸部、脊椎部及び頭部の後部との相互作用を低減させる遮蔽体を設けることができる。１０Ｗ又は２０Ｗ又はそれよりも大きい高電力を伝送する必要がある実施例では、ユーザの頸部領域１３０４を被覆する可撓性又は剛性のフラップをシステムに設けることができる。このフラップは、頸部及び脊髄を磁界から遮蔽する導電性材料を有するようにしうる。このフラップは、ヘルメットの一部又はユーザの帽子の一部とすることができる。実施例では、遮蔽体をユーザの衣服の襟の一部とすることができる。
【００９６】
実施例では、カメラシステム又はマシンビジョンシステムが、障害物及び異物と、電源共振器及び機器共振器間の物質との双方又は何れか一方を検出する又は検出するのに役立つようにすることができる。又、実施例では、カメラ及びマシンビジョンシステムが、電源及び機器を囲む移動のための空隙及び近傍の双方又は何れか一方や、異質物や、又は何らかの種類の不明確な又は異常な動作環境又は構造を常に監視するようにしうる。システムは、電力を停止させるか電力の伝送を制限するように設計することができ、且つ何らかの不明確な又は異常な動作環境又は構造がカメラ及びアルゴリズムの双方又は何れか一方により検出された場合に、運転手、ユーザ又はオペレータに警報を与えるように設計しうる。実施例では、カメラ及びマシンビジョンシステムを、多種多様の環境、ビークル、電源及びシステムで機能するように設計しうる自己学習又は訓練可能なアルゴリズムに結合しうるか又はこれらアルゴリズムで制御しうるようにできるとともに、監視操作期間後の多くの環境で動作するように学習するか又は訓練を受けるようにしうる。
【００９７】
実施例では、カメラを電源内に又はその周りに装着でき、このカメラにより映像又は処理した情報を無線でビークル内の又はビークル外の電子機器又はユーザに伝送するようにしうる。実施例では、カメラを自動車上に装着できるとともに、自動車の下側に装着しうる。又、実施例では、カメラを、整列処理が開始された時のみ或いは機器又は電源がすぐそばにある時のみ開放する自動ドア又はハウジングに取付けることができる。機械的なドア又はハウジングは、カメラレンズ及び電子機器を道路破片、水、ほこり、等から保護する必要がある際のみ開閉するようにしうる。
【００９８】
実施例では、伝送された又は反射された或いはその双方の音響信号、マイクロ波信号、ＲＦ信号、光信号、その他の信号を用いて、自動的に又はユーザの助けで電源共振器及び機器共振器を特定の精度内に整列させることができる。この特定の精度はユーザが設定しうるパラメータとすることができ、或いは制御システムにより設定されるパラメータとすることができる。設定可能なパラメータは、時刻、電力系統に関する要求、（例えば、ｋＷ時当り見積られた）電気代、グリーンエネルギーの利用可能性、等に依存して調整しうる。この設定可能なパラメータは、ユーティリティプロバイダ、地方機関、自動車会社、サービス会社、個人ユーザ、等により制御しうる。
【００９９】
実施例では、種々のセンサシステムを用いて、電源共振器及び機器共振器の整列を助成するか又は自動化するようにしうる。音響、圧力、接触、誘導、容量、その他の同様なセンサをビークル内に又はその周りに配置して、ビークルの位置を決定するとともにビークルのユーザ又はオペレータが最良の整列を確立する案内をするようにしうる。種々のバンパ、レーザ、ボール、笛、スクレーパ、ストリング、ベル、スピーカ、等を、適切な整列位置決めのためのユーザ又はオペレータに対する指標として用いるようにもできる。実施例では、任意の個数の駐車ガイド又は駐車補助機器をシステム内に導入して、ビークルを適切に又は電源の許容限界内に案内又は位置決めするようにしうる。
【０１００】
実施例では、１つ以上の圧力、温度、容量、誘導、音響、赤外線、紫外線等のセンサを、電源、機器、電源ハウジング、ビークル又は周囲領域内に一体化させ、障害物及び異物と、電源共振器及び機器共振器間の物質との双方又は何れか一方を検出する又は検出するのに役立つようにすることができる。実施例では、センサ及び安全システムが、電源及び機器を囲む移動のための空隙及び近傍の双方又は何れか一方や、異質物や、又は何らかの種類の不明確な又は異常な動作環境又は構造を常に監視するようにしうる。又、実施例では、例えば、電源共振器を覆うハウジングが、電源共振器の容器上を押す重さ又は力を監視する圧力センサを含むか又はこの圧力センサの頂面上に装着させることができる。余分な圧力又は検出された付加重量が、電源の頂面上に残された異物又は不所望な物体であって無線電力（エネルギー）伝送システムを動作させるのに安全でない又は所望でないおそれがあることを表す物を指示するようにしうる。センサの出力端は、無線電力伝送システムの処理素子に結合させ、センサの出力を用いて無線電力伝送を停止又は阻止するか或いはセンサが作動する又は異常を検出する時を阻止するようにしうる。実施例では、システム及びセンサを聴覚、視覚又は振動指示器に結合させ、無線電力伝送が中断したことをユーザ又はオペレータに警告するようにしうる。ある実施例では、複数のパラメータを検出する複数のセンサを同時に用いて、障害物又は異物が存在するかどうかを決定するようにしうる。ある実施例では、無線電力伝送をターンオフ又は阻止させるのに、例えば圧力センサ及び温度センサのような少なくとも２つのセンサを作動させる必要があるようにシステムを構成することができる。
【０１０１】
実施例では、盗難阻止又は検出システムを、無線電力伝送システムの種々のセンサ及びカメラを用いている機器及び電源内に導入して、ビークルの無断使用を検出するようにしうる。
【０１０２】
実施例では、寸法及び幾何学的形状において電源共振器と機器共振器とを同じとせずに、電源及び機器のコイル間のエネルギー伝送の効率の整列依存性を減少させるようにしうる。ある実施例では、電源共振器を機器共振器よりも大きく形成し、これにより電源共振器と機器共振器との間の所望のエネルギー伝送効率に対する位置決め公差を増大しうるようにするのが有利である。
【０１０３】
実施例では、種々の幾何学的形状とした電源共振器及び機器共振器を用いて、駐車変化と関連しうる不整列のような、電源と機器との不整列の影響を低減させることができる。駐車変化には、前進及び後退変化、左右の変化、（ビークルが斜めに駐車した際の）角度的なオフセット、等を含めることができる。例えば、ある実施例では、電源共振器及び機器共振器はビークルの前進及び後退方向における整列変化を受ける傾向がある。このような実施例では、電源の長方形の誘導ループであってこの誘導ループの長い方の軸線がビークルの位置的不確実性の方向に対し平行となるように配向された当該誘導ループを用い、これを電源共振器と同じ短い方の軸線長を有する正方形の機器共振器と対にすることにより、機器共振器と同じ寸法を有する正方形の電源共振器により達成されるよりも良好な、電源共振器対機器共振器の変位の関数としての平均効率をもたらすことができる。位置的不確実性が上述した方向にある場合には、長方形の電源誘導ループの長い方の軸線をビークルの長さ方向と整列させることができ、左右方向の位置的不確実性が予期される場合には、長方形の電源誘導ループの長い方の軸線をビークルの幅方向と整列させることができることに注意すべきである。ビークルにおける横方向の、すなわち左右のオフセット依存性を低減させる電源の誘導ループ及び機器の誘導ループの相対的な幾何学的形状を示す代表的な実施例を図１８に示してある。この図１８は、電源共振器が自動車の下側に配置され、機器共振器が自動車の底面に装着されている場合の、頂部から斜めに自動車を見下ろした代表的な相対的幾何学的形状を示している。自動車１８０２の左右のオフセット能力を増大させるために、電源及び機器を有する容量装荷ループ共振器を互いに異なる寸法としうる。電源１８０４の寸法は、左右の寸法又は自動車の軸線において機器１８０６の寸法よりも大きくしうる。
【０１０４】
実施例では、電源と機器との間の非整列の影響を、正確に整列させる必要のない共振器の設計により、最小にするか又は制限させることができる。実施例では、電源共振器及び機器共振器に、磁気材料のコアを囲んで巻回した導電体を有する平坦な共振器を設けるようにすることができる。又、実施例では、平坦な共振器のダイポールモーメントをビークル位置の不確実性の次元に対して垂直に配向させるようにしうる。共振器の設計により、非整列を共振器のダイポールモーメントに対し垂直にして電力伝送効率の影響が最少となるようにすることができる。
【０１０５】
実施例では、機器共振器とこれらのそれぞれの電力及び制御回路とが、ビークルの他の電子及び制御システムやサブシステムとの種々の一体化レベルを有するようにしうる。ある実施例では、電力及び制御回路と機器共振器とを、ビークルの現存するシステムに対する一体化を最少にして完全に分離させたモジュール又は容器とし、電力出力と、制御及び診断のインタフェースとをビークルに与えるようにする。他の実施例では、機器共振器又は共振器ハウジングの一部を、ビークルのボディ（車体）、車両構造、車台、パネル内に一体化させることができる。ある実施例では、共振器と回路とのアセンブリをビークルの下の凹所領域内に収容し、コイル容器の底面をボディの底面と同一平面となるようにすることができる。ある実施例では、凹所領域を更に、この凹所領域に電気めっき、積層、噴霧、被着等の処理を行うことのできるアルミニウ、銅、銀等のような高導電性の材料で裏打ちすることができる。
【０１０６】
実施例では、機器及び電源に能動冷却又は加熱機能を設けることができる。機器共振器及び回路をビークルの冷却システム内に一体化して高電力分野における高温度を回避するようにすることができる。実施例では、機器共振器及び回路に、ラジエータ、ファン、冷却液等を有するその独自の冷却又は加熱システムを設けることができる。又、実施例では、共振器と電力及び制御回路とが、温度制御の補助を行う種々の形状、断面、突起部、放熱板等を有するようにしうる。
【０１０７】
無線電力システムでは、ビークル電力制御システムにパワーステーション予約システムを含め、この予約システムによりユーザが特定の時刻に対して充電を予約して他のユーザが電源から充電するのを阻止するようにしうる。風力又はソーラーパワーのようなより環境にやさしいエネルギー源を用いる特定の電源をユーザに選択させる中央情報を用いるようにしうる。
【０１０８】
実施例では、ビークルの機器共振器を電源として用いるようにもできる。又、実施例では、停電中にビルディングに電力を与えるか又は電源のない小屋に電力を与えるのにビークルの電力を使用するようにすることができる。又、実施例では、ビークルを用いて現場で建設車両又は工具に電力を伝送するようにしうる。
（共振器アレイ）
【０１０９】
実施例では、より小型の２つ以上の共振器又は導電体が巻つけられた磁気材料の２つ以上のブロックを、前記小型の共振器の物理的な寸法よりも大きい、又は磁気材料の前記ブロックの寸法よりもよりも大きい有効寸法を有する、より大型の共振器を形成するように配置するようにすることができる。有効寸法を大きくした共振器によれば、結合をより長い距離に亘るように改善したり、位置的不確実性に対する不変性を改善した高効率を有するようにしたり、高くした電力レベルを伝送しうるようにしたりすることなどを達成しうる。より小さくした共振器又はより小さくした磁気材料のブロックの構成配置によれば、単一の大型の共振器よりも、製造可能性、費用、拡張可能性、変動性、等に対して利点を得ることができる。
【０１１０】
例えば、図１９（ａ）に示す実施例では、磁気材料１９０４のブロックを囲んで巻回した導電体１９０６を有する平坦な共振器は、１つの単一の共振器又は磁気材料の１つのブロックを用いて構成しうる。共振器は、磁気材料の幅全体を囲むように巻回した導電体１９０６を有し、磁気材料のブロックの断面にほぼ等しい囲み領域を有するループが形成されている磁気材料１９０４の実質的に連続するブロックを有することができる。共振器は、この共振器の物理的な寸法に実質的に等しい有効寸法１９０２を有するようにしうる。
【０１１１】
他の実施例では、平坦な共振器は２つ以上のより小さい共振器又は磁気材料のブロックの配置を用いて構成しうる。これらの小さい共振器は、導電体が巻回されて磁気材料のブロックの断面領域にほぼ等しい囲み領域を有するループが形成されている磁気材料のより小さいブロックを有することができる。図１９（ｂ）の代表的な実施例に示すように、各々に導電体１９１０が巻回された磁気材料１９０８の２つのより小さいブロックを並べて配置して、磁気材料の２つのブロックの配置の物理的寸法に実質的に等しい有効寸法１９０２を有する共振器を形成することができる。実施例では、図１９（ｃ）及び（ｄ）に示すように、各々がブロック１９１２を囲むように巻回された導電体１９１４を有する磁気材料の２つよりも多いブロックを２次元又は３次元アレイに配置して、磁気材料のブロックの配置の物理的寸法に実質的に等しい有効寸法１９０２を有する、より大きな有効な共振器を形成することができる。より小さい共振器のアレイは、所望の有効寸法及び形状を有するアレイを形成するような寸法及び配置とすることができ、このアレイを、磁気材料の実質的に連続する単一のブロックを有する共振器の代わりに用いることができる。
【０１１２】
実施例では、導電体が巻回された磁気材料の各ブロックを別々の共振器として処理し、各個別のブロックをパラメータ調整するためにキャパシタ又はインダクタのような追加の電気素子に結合させるようにすることができる。他の実施例では、磁気材料のブロックを囲んで巻回された導電体の幾つか又は全てを互いに且つキャパシタ、インダクタ等のような追加の電力共振器素子に接続し、磁気材料のブロック及び導電体の構成配置全体を単一の共振器となるようにしうる。実施例では、複数のより小型の誘導性の構造体又は共振器構造体を直列に、又は並列に、又は直列及び並列コネクタの回路網内に接続することができる。
【０１１３】
ある実施例では、より小型の共振器の構成配置又は導電体が巻回された磁気材料のより小型のブロックの構成配置を、単一の大型の共振器よりも、製造可能性、費用、拡張可能性、変動性、等に対して利点を得ることができる。磁気材料はしばしば脆弱であり、共振器の磁気材料の大きな連続片は、特に大型の共振器の場合に、損傷及び亀裂を受けやすくなるおそれがある。共振器のより小型のアレイは、磁気材料のより小型の別々のブロックとして分離、補強、パッケージ化等を行うのをより容易としうる為に、振動及び損傷に一層耐えうるようにできる。同様に、導電体が巻回された磁気材料の別々のブロックのアレイを有する共振器を、より一層拡張又は拡大させるようにしうる。共振器アレイは、アレイに又はアレイから個々の共振器素子を付加又は除去するか、或いは磁気材料の個々のブロックを付加又は除去して、適用分野又は配置構造に応じて共振器の有効寸法を増大又は減少させることにより、より大型又はより小型にすることができる。このような構成配置には、複数のより小型の共振器を組合せることにより、共振器の有効寸法及び形状の大きな範囲を実現しうるという利点がある。従って、単一の又は数個の標準の共振器を大量に貯蔵し、検査し、製造し、その他を行い、無線電力伝送のために提供される多種多様の共振器寸法及び形状に対応させて用いるようにすることができる。
【０１１４】
実施例では、より小さい共振器の構成配置又は磁気材料のブロックの構成配置を有する共振器は、より大きい実質的に連続する磁気材料片を有する共振器と実質的に同じ又は類似するシステムパラメータ及び無線電力伝送特性を有することができ、無線電力伝送の性能又は特性に著しい影響を及ぼすことなく、より大きい実質的に連続する磁気材料片を有する共振器に代えて用いることができる。無線電力伝送構造の一実施例では、導電体を磁気材料の単一の実質的に連続するブロックの周りに巻回したものとして機器共振器２００４を構成した構成配置（図２０（ａ））と、２つの導電体を磁気材料の２つの等しい寸法のブロックの周りに巻回したものとして機器共振器２００４を構成した構成配置（図２０（ｂ））と、４つの導電体を磁気材料の４つの等しい寸法のブロックの周りに巻回したものとして機器共振器２００４を構成した構成配置（図２０（ｃ））とに対し、有限要素法モデルを用いて電源と機器との間の無線電力伝送のパラメータを計算し且つ比較した。機器の各構成では、共振器の有効寸法を３０cm×３２cmに保ち、磁気材料の実質的に連続するブロックを囲んで巻回された導電体を有する３０cm×３２cmの電源共振器２００２の上方２０cmに直接整列させた。機器共振器が図２０（ａ）に２００４で示すように磁気材料の単一ブロックを有する構成では、有効な機器共振器のクオリティファクタは４５０となるように計算され、電源と機器との間の結合係数ｋは０．１２４となるように計算されたものであり、その結果、電源と機器との間で９６．４％の予測無線電力伝送効率が得られた。図２０（ｂ）に２００４で示すように、機器共振器が、導電体が巻回された磁気材料の２つのより小さいブロックを有し、これらブロックを０．１cmの空隙だけ分離させた構造では、有効な機器共振器のクオリティファクタは４３７となるように計算され、電源と機器との間の結合係数ｋは０．１１５となるように計算されたものであり、その結果、電源と機器との間で９６．２％の予測無線電力伝送効率が得られた。図２０（ｃ）に示すように、機器共振器が、０．２cmの空隙だけ分離された導電体が巻回された磁気材料の４つのより小さいブロックを有する構造では、電源と機器との間の結合係数ｋは０．１０９となるように計算されたものであり、その結果、電源と機器との間で９６％の予測無線電力伝送効率が得られた。
【０１１５】
実施例では、磁気材料のより小さいブロックを有する共振器の構成配置のパラメータは、磁気材料のブロックや導電体等の配向、位置決め、配列及び構造により影響を受けるおそれがある。重要なものと認められる１つのファクタは、共振器と、より大きな有効面積を有する共振器を具えることのできる磁気材料のより小さいブロックとの間の分離距離である。例えば、図２１に示すように、磁気材料の分離したブロックを有し、分離したより小さな４つの共振器を具え、有効面積を大きくした共振器を考慮する。この図にＡ及びＢを付して示す分離距離の大きさが共振器のパラメータ及び無線電力伝送の効率に影響を及ぼしうる。例えば、図２０（ｃ）に示し且つ上述した構造及び配向の場合、大きさＡ及びＢの双方を０．２cmから２cmに変えることにより、電源から機器までの無線電力伝送の効率を９６％から９４．８％に減少させた。
【０１１６】
実施例では、磁気材料のブロック間の空隙を最小にするのが好ましく、これらの空隙は共振器のダイポールモーメント２１０２の軸線に対し平行とならないようにするのが特に好ましい。実施例では、許容しうる又は好ましい空隙の大きさは、より大きい共振器の全寸法又は有効寸法と、個々の小さい共振器の寸法と、電力レベル等に依存させることができる。実施例では、磁気材料のブロック間の空隙を共振器配列の有効寸法の最大値の１０％よりも小さくなるようにするのが好ましい。又、実施例では、磁気材料のブロック間の空隙を共振器の有効寸法の最小値の１０％よりも小さくなるようにするのが好ましい。
【０１１７】
実施例では、個々のより小さい共振器、又は導電体が巻回されているとともに有効なより大きな共振器を有する磁気材料の個々のブロックには、磁気材料のより小さいブロック間又はより小さい共振器間の分離空隙をより小さくしうる特徴、形状、設計、切込み等を設けることができる。ある実施例では、図２２に示すような隣接共振器間の空隙２２０６は、図２２（ａ）に示すように、隣接共振器の導電体巻線をスタッガ配置するとともに、一方の隣接共振器の導電体を他方の隣接共振器の導電体の隣接巻線間にかみ合わせることにより減少させることができる。ある実施例では、図２２（ｂ）に示すように、磁気材料の隣接ブロックを互いに接近させる導電体２２０４に対するくぼみを生ぜしめるとともに、導電体２２０４の太さよりも小さくしうる離間間隔２２０６を有するように、磁気材料２２０２のブロックが成形されるとともに、くぼみ、切込み、割れ目等２２０８を有するようにしうる。
【０１１８】
実施例では、共振器間の空隙を磁気材料のブロック、粉末、エポキシ、等で完全に又は部分的に充填するようにしうる。ある実施例では、磁気材料を、より小さい共振器を有する磁気材料のブロックとは異ならせることができる。又、ある実施例では、共振器間に振動又は衝撃が伝達されるのを回避又は低減させうる磁気材料の柔軟体を用いるようにするのが好ましい。
【０１１９】
実施例では、より大きな有効共振器を有する磁気材料のより小さいブロックの各々を別々の導電体片で巻回し且つ別々の同調及び整合回路網に結合させることができる。導電体が巻回された磁気材料の各ブロックを個々の共振器とし、これを他の共振器から独立させて同調又は調整するようにしうる。実施例では、各々の共振器又は共振器の群を別々の電力及び制御回路に結合させ、この回路を発振器又はクロックと同期させて、全ての共振器と電力及び制御回路とを同じ周波数及び位相で、又は予め決定した周波数及び位相オフセットで動作するようにしうる。又、実施例では、単一の電力及び制御回路を全ての共振器に対して用いることができ、電源の場合には、この回路が発振電圧で全ての共振器を並列に駆動するようにすることができ、或いは機器の場合には、１つの電力及び制御回路が各共振器導電体における発振電圧を捕捉及び変換するようにすることができる。
【０１２０】
実施例では、共振器の磁気材料の全てのブロック又はブロックの群に順次に巻回するのに単一の導電体を用いることができる。導電体は磁気材料の１つの（第１の）ブロックを囲むように巻回し、次に第２のブロックに巻回し、以下同様にして、磁気材料の複数のブロックを囲む導電体間に直列接続が得られるようにしうる。このような例では、単一の電力及び制御回路を用い、発振電流で導電体を附勢するようにしうる。
【０１２１】
実施例では、個々のより小さい共振器と、共振器の構成配置を有する磁気材料のブロックとを、全て実質的に等しい大きさを有するようにしうる。他の実施例では、磁気材料のブロックを不均一とし、これらの厚さが変化するか又は形状が不規則となるようにしうる。
【０１２２】
実施例では、個々のより小さい共振器、又は有効なより大きな共振器を有し導電体が巻回された磁気材料の個々のブロックは全て、導電体により形成された全てのループが同心的となるか又は導電体により形成された全てのループの軸線が全て平行となるように巻回されているようにすることができる。他の実施例では、導電体により形成されたループの軸線の全てが平行とならないように導電体を巻回するようにすることができる。磁気材料の幾つかのブロックには、導電体が他の導電体の他のループに対し垂直な軸線を有するループを構成するように巻回又は配置を行い、これらを用いて、１方向よりも多い方向で磁気ダイポールモーメントを有する能力を具える、より大きな有効共振器を形成するようにしうる。
【０１２３】
実施例では、磁気材料のより小さいブロックの構成配置を有する共振器には、導電体を巻回することのない磁気材料のブロックを設けるようにしうる。
【０１２４】
磁気材料のより小さいブロック又はより小さい共振器の構成配置を有する共振器の実施例では、無線電力伝送中の電力レベル、距離、磁界限界、等に応じて導電体を選択的に附勢又は活性化させることができる。実施例では、例えば、複数の導電体を有する構成配置を具える電源共振器により、低レベルの無線電力伝送が必要である場合に導電体の１つ又はその一部のみを附勢し、高レベルの無線電力伝送が必要である場合に導電体の殆ど又は全てを附勢するようにしうる。
【０１２５】
ある実施例では、電源と、距離又は横方向のオフセットがある機器との相対位置に応じて異なる導電体又は異なる個数の導電体を附勢しうるようにする。例えば、図１８に示すように、電源共振器を機器共振器よりも大きな寸法としうるビークル充電分野に対する実施例では、電源共振器が磁気材料のより小さいブロック又はより小さい共振器を有し、これに対して機器共振器の直下にあるブロック及び導電体のみを附勢しうるようにすることができる。このような実施例では、最強の磁界を機器共振器の下の領域に常に閉じ込めるようにして、電源共振器及び機器共振器が大きな横方向のオフセットを許容するようにしうる。
【０１２６】
小さい又は大きいといった磁気材料のブロックの如何なる記載も、磁気材料の単一のモノリシックブロック、タイル、構造体、結晶体、シート、正方形体、型材、型（form）、等を有するブロックを言及しうるものであり、或いはこの記載には、互いに取付けられるか、包装されるか、組立てられるか、固着されて実質的に連続する形状を形成する同様な又は異なる形態の磁気材料の別々のより小さいブロック、タイル、構造体、結晶体、シート、正方形体、型材、型、等の如何なる組合せをも含まれるようにしうる。
（ビークルの分野に対するコンパクトな共振器）
【０１２７】
電気ビークル（電気自動車）の再充電のある分野では、エネルギー伝送に用いる共振器の寸法を最小にするのが望ましい。あるビークルでは、ビークルの地上高、寸法、形状、等の為に、より大きい磁気共振器をビークルのボディ上に又はその下に装着するのが困難である。ある分野では、共振器の寸法は、共振器間の分離距離、共振器の不整合のトレランス、等よりも重要又は臨界的となる。ある実施例では、寸法を減少させた共振器を用いて伝送効率を高めるために、無線電力システムにおける少なくとも１つの共振器のある量の機械的作動を許容しうるようにできる。実施例では、機械的作動を粗くするとともに比較的制限された範囲を有するようにするのが好ましい。このような無線電力システムはここに述べた実施例で利点が得られるものである。その理由は、共振器間の正確な機械的な整列を必要とすることなく、極めて高いエネルギー伝送効率を達成しうる為である。
【０１２８】
ある量の共振器の作動を含むことのできるビークルの分野でエネルギー伝送するのに適した磁気共振器をコンパクトにする設計をここで開示する。ここで提案する設計によれば、最小の設置面積において９０％以上や９８％以上もの極めて高い効率で１ｋＷ以上又は３ｋＷ又は１６ｋＷ以上もの電力を伝送するようにしうる。
【０１２９】
一実施例では、第１のコンパクトの共振器構造体が磁気材料の環状構造体の内部で巻回した導電性ループを有し、第２のコンパクトの共振器構造体がある領域を囲む導電性ループを有し、この導電性ループが、前記の環状構造体の内部で巻回した前記の導電性ループ内に嵌合しうるようにする。第１及び第２の共振器は、実質的に一方を他方の中に又は互いに接近させて配置した際にエネルギーを伝送するように設計しうる。
【０１３０】
第１の共振器の一実施例の透視図を図２３に示す。一実施例では、第１の共振器が、良導電体のソレノイド状の構造体２３０４又は磁気材料２３０２の層により囲まれた導電性ループを有するようにしうる。磁気材料は、他の共振器に対する結合を改善するように磁界の指向及び成形の双方又は何れか一方を達成しうる。又、磁気材料は、共振器の付近の無関係な物体の摂動Ｑを低減させるのに用いることができる。又、磁気材料は、損失の多い又は導電性の或いはその双方の物体が無線電力伝送に及ぼす影響を減少させるように磁界の指向及び成形の双方又は何れか一方を達成しうる。これと同じ構造体の切断図を図２４に示す。導電体２４０４のループはフェライト材料の管状外郭体２４０２の内部で巻回することができる。実施例では、フェライト材料の管状外郭体２４０２は、巻回した導電体ループの長さよりも長くすることができる。実施例では、フェライトの管状外郭体を、磁気材料の大きな単一片又は磁気材料のより小さな数個のリングから構成することができる。又、実施例では、フェライトの管状外郭体を、磁気材料の任意の個数のより小さい片又はタイルから構成することができる。又、実施例では、磁気材料の管状外郭体２４０２が任意の個数の外形を有し、図面通り又は楕円形として、方形として、三角形として、その他の形状として巻回することができる。又、実施例では、磁気材料の外面２４０６は、随意であるが、良導電体のシート又は構造体で被覆されるようにすることができる。これらのシート又は構造体は、共振器を周囲における損失の多い材料から遮蔽するようにしうるとともに、電気及び磁気近接場を画成又は成形する或いはその双方を行うのに用いることができる。
【０１３１】
環状アセンブリは、プラスチック、カーボンファイバ等のような、磁気材料に対しほぼ損失の無い材料を有するハウジング内に一体化しうる。実施例では、導電性ループのコイルの端部を少なくとも１つの容量性素子に接続して磁気共振器を形成するようにしうる。この少なくとも１つの容量性素子に加えて、磁気共振器を追加の容量性及び誘導性素子に取付けて、これら素子を構造体の共振周波数を設定するのに用いるか、又は構造体を電源又は負荷に接続する際の構造体のインピーダンス整合又は同調用として用いるか、或いはこれらの双方の使用を達成するようにしうる。電源は、磁気共振器の共振周波数付近で時間の関数となる電圧を発生する増幅器を有するようにし、これを、導電体のループを囲む発振磁界を発生させるように構造体を駆動するのに用いるようにしうる。
【０１３２】
上述した第１の共振器構造体と一緒に用いうる第２の共振器構造体の一実施例を図２５に示す。この第２の共振器構造体には、ある領域を囲む導電性ループを設け、この導電性ループを環状共振器内に嵌合させるようにしうる。実施例では、この導電性ループを、高さｈを有する細長形状を成すように巻回することができる。他の実施例では、第２の共振器構造体がフェライトのような磁気材料２５０２の細長コアを有し、このコアに導電性ループ２５０４を巻回するようにしうる。磁気材料２５０２のブロックは、磁気材料の固体片を用いるか、細長形状を形成するように配置した任意の個数のより小さい片を用いて構成しうる。実施例では、磁気材料を外郭体とするか、又は中空とするか、或いはその双方とすることができる。実施例では、磁気材料を環状とするか又は管状として表すか、或いはその双方とすることができる。又、実施例では、磁気材料は、本明細書及びここに開示した参考文献の双方又は何れか一方の何れかの部分で述べられているような如何なる形状及び断面をも有するようにしうる。実施例では、回路素子又は如何なる種類の物体及び材料をも磁気材料の外郭体内に嵌合させることができる。アセンブリ全体は無損失の容器内に収容することができる。実施例では、導電性ループの端部を少なくとも１つの容量性素子に接続して磁気共振器を形成するようにしうる。磁気共振器は、この少なくとも１つの容量性素子に加えて、追加の容量性及び誘導性素子に取付けて、これら素子を構造体の共振周波数を設定するのに用いるか、又は構造体を電源又は負荷に接続する際の構造体のインピーダンス整合又は同調用として用いるか、或いはこれらの双方の使用を達成するようにしうる。
【０１３３】
実施例では、上述した第１及び第２の共振器構造体と一緒に用いうる第３の共振器構造体には、ある領域を囲む導電性ループを設け、この導電性ループが、少なくとも１つの共振器の内部に嵌合されるか、又は共振器の少なくとも１つを囲むか、又は共振器の少なくとも１つに結合されるようにしうる。実施例では、この導電性ループを、高さｈ′を有する細長形状を成すように巻回することができる。他の実施例では、第３の共振器構造体が、フェライトのような磁気材料の細長コアを有し、このコアに導電性ループを巻回するようにしうる。磁気材料のブロックは、磁気材料の固体片を用いるか、細長形状を形成するように配置した任意の個数のより小さい片を用いて構成しうる。実施例では、磁気材料を外郭体とするか、又は中空とするか、或いはその双方とすることができる。実施例では、磁気材料を環状とするか又は管状として表すか、或いはその双方とすることができる。又、実施例では、磁気材料は、本明細書及びここに開示した参考文献の双方又は何れか一方の何れかの部分で述べられているような如何なる形状及び断面をも有するようにしうる。実施例では、回路素子又は如何なる種類の物体及び材料をも磁気材料の外郭体内に嵌合させることができる。アセンブリ全体は無損失の容器内に収容することができる。実施例では、導電性ループの端部を少なくとも１つの容量性素子に接続して磁気共振器を形成するようにしうる。磁気共振器は、この少なくとも１つの容量性素子に加えて、追加の容量性及び誘導性素子に取付けて、これら素子を、構造体の共振周波数を設定するのに用いるか、又は構造体を電源又は負荷に接続する際の構造体のインピーダンス整合又は同調用として用いるか、或いはこれらの双方の使用を達成するようにしうるか、又は無線電力システムにおけるレピータ共振器として動作するようにする。
【０１３４】
実施例では、第３の共振器構造体を、本明細書の他の部分で説明した如何なる種類の磁気共振器構造体とすることもできる。
【０１３５】
実施例では、第１の共振器（構造体）を電源共振器として構成し、第２の共振器を機器共振器として構成するようにしうる。電力を電源と機器との間で伝送するために、機器を電源により発生される発振磁界内に配置することができる。この発振磁界は機器の導電性ループ内に電流を誘起しうる。実施例では、機器構造体を電源構造体の内部空洞内に配置することができる。無線電力伝送のための代表的な有効な位置を図２６に示す。この図は、電源構造体の切欠き内の機器構造体を示している。導電体２５０４が巻回された磁気材料２５０２のブロックを有するこの機器構造体は電源構造体内に位置させ、電源構造体の導電体２４０４のループと、機器構造体の導電体２５０４のループとが少なくとも部分的に重なり合うようにする。実施例では、電源共振器及び機器共振器が相対的に移動し、これらが同心的とならない場合に、これら電源共振器及び機器共振器が電力を充分なエネルギーで伝送するようにする。エネルギー伝送効率は、共振器の相対寸法、電源共振器構造体及び機器共振器構造体における導電体の巻回数、周囲材料、等に依存させることができる。環状の電源共振器には、機器共振器の導電性ループが電源共振器の導電性ループとある程度重複している限り、エネルギー伝送効率を高くしうるという利点がある。２つの共振器は、システムのエネルギー伝送中互いに同心的に配置しうるか、或いは完全な同心からオフセット又は傾斜させ、しかも依然として高い電力伝送効率で動作するようにしうる。
【０１３６】
上述した実施例では、電源共振器を直径が大きな共振器として指定したが、共振器構造体を電源として又は機器として用いることができ、エネルギーはより大きな共振器構造体から、より小さい共振器構造体に且つより小さい共振器構造体から、より大きな共振器構造体に伝送するようにしうること明らかである。レピータ共振器を用いる実施例では、上述した共振器実施例の何れをもレピータ共振器として用いることができる。レピータ共振器を電源共振器又は機器共振器としても作用するように構成されていない場合には、追加の容量性及び誘導性素子が構造体の周波数の共振周波数を設定するか又は所望のシステム動作を達成するための構造体のインピーダンス整合又は同調用として用いられるか、或いはこれらの双方を達成するようにしうる。
【０１３７】
上述したところで提案した共振器構造体はある分野で有利なものとしうることを認識されたい。実施例では、共振器を、電界及び磁界を画成又は成形して電界及び磁界の強度がある位置で減少するように設計することができる。実施例では、エネルギー伝送に用いる磁界より大きな環状共振器の内部に集中しうるようにする。共振器の外側部分には、共振器構造体の外壁上を遮蔽する銅シート又は銅構造体を設け、これによりエネルギー伝送中に電源共振器及び機器共振器をすぐ接して囲む領域に電磁界を限定するようにしうる。従って、共振器構造体は、設定した電磁界の安全限界を超えることなく多量の電力を伝送することができるとともに、高感度の機器、損失の大きい構造体又はビークルの搭乗者に接近させて配置しうる。
【０１３８】
実施例では、共振器構造体は、１００以上、場合によっては５００以上の高いクオリティファクタを有するようにしうる。実施例では、電源共振器のＱと機器共振器のＱとの積の平方根を１００よりも大きくしうる。３つ以上の共振器構造体を有する実施例では、システム中の何れか２つの共振器のＱの積の平方根を１００よりも大きくしうる。
【０１３９】
上述した電源構造体及び機器構造体を有するシステムは、エネルギーを極めて高い効率で無線伝送するのに用いることができる。その代表的な実施例を図２７（ａ）に示す。この実施例を構成し且つ証明した。代表的な機器構造体には、８０mmの長さで１０mmの直径とした磁気材料２７０２のブロックと、リッツ線の２０巻回を有する導電性ループ２７０８とを設けた。この代表的な実施例では、機器構造体を図示のように電源構造体の内部に位置させた。電源構造体には、厚さを約１mmとした磁気材料の４０mmの直径の環状体２７０４の外面に対接させて配置した１６０mmの長さの導電性シート片を設けた。又、電源構造体には、磁気材料環状体の内面上に巻回したリッツ線の２８ループを有する導電線構造体２７０６を設けた。
【０１４０】
ｚ方向における電源構造体及び機器構造体のオフセットの関数として測定した電力伝送効率を図２７（ｂ）に示す。これら２つの構造体の中心点が整列されると、１００Ｗの電力を電源構造体内に供給した際の無線エネルギー伝送効率は９７％よりも大きくなる。電源構造体及び機器構造体の中心が図２７（ａ）に示すｚ方向に沿ってオフセットされるにつれ、効率は徐々に減少する。同様に、ｒ方向での電源構造体及び機器構造体のオフセットの関数として測定された電力伝送効率を図２７（ｃ）に示す。これら２つの構造体が同心状態にあると、１００Ｗの電力を電源構造体内に供給した際の無線エネルギー伝送効率は９７％よりも大きくなる。電源構造体及び機器構造体が図２７（ａ）に示すｒ軸線に沿ってオフセットされるにつれ、効率は徐々に減少する。この代表的な実施例は、電源共振器及び機器共振器が粗に整列された際に高い効率のエネルギー伝送を達成しうることを示している。このような粗整列は、比較的低い精度の機械的動作システムで実現できたものである。
【０１４１】
電源共振器構造体及び機器共振器構造体はエネルギーをビークルに伝送するのに用いることができる。機器共振器構造体はビークルに取付けることができ、ビークルから分離された電源共振器構造体は外部電源に結合させることができる。電源共振器構造体及び機器共振器構造体は、前述したようにビークルに対するエネルギー伝送を開始するように配置しうる。伝送されたエネルギーは、ビークルを附勢（ビークルに電力供給）したり、ビークルのバッテリを充電したり、その他の処理をしたりするのに用いることができる。例えば、図２８に示すように、電源共振器２８０２を、天井から、ビークル２８１８の屋根の上に位置させた機器共振器構造体２８０４内に降下するように配置することができる。機器共振器は、ビークルの屋根、ビークルのボンネット、等に一体化させることができる。機器共振器はビークル販売後のアクセサリとして付加することができる。機器共振器は、ビークル構造上で移動可能、除去可能、交換可能、等とすることができる。ビークルには１つよりも多い機器共振器を設けることができる。
【０１４２】
他の実施例では、機器共振器２８０６をビークルの正面に配置し、電源共振器２８０８を、この電源共振器を機器共振器内に自動的に位置させるのに用いうるブーム（張出棒）に取付けることができる。実施例では、ブームをばね懸架式又は機械作動式或いはその双方としうる。又、実施例では、少なくとも一方の共振器構造体が、電源共振器及び機器共振器を整列させる補助を行うのに用いうる永久磁石又は磁化材料を有するようにしうる。又、実施例では、電源共振器及び機器共振器を整列させる補助を行うようにブラインドメイトのコネクタ及びコネクタ設計を適合させることができる。
【０１４３】
他の実施例では、機器共振器２８１０をビークル（自動車）の下側に装着し、電源共振器２８１２をビークルの下の床又は大地２８２４上に配置することができる。実施例では、ビークルを電源共振器アセンブリの上方に駆動し、この電源共振器アセンブリがビークルの下側の機器共振器２８１０のハウジング内に“ポップ（pop ）嵌め”、“スナップ嵌め”及び“スプリング嵌め”の何れか又は任意の組合せが行われるまでこの電源共振器アセンブリを屈曲させる可撓性ブーム２８２２上に、電源共振器２８１２を装着する。更に他の実施例では、電源共振器２８１６をビークルの下側の床２８２４の面よりも下に埋込むようにしうる。この電源共振器２８１６はビークルの下の床２８２４内の凹所とすることができ、ばね懸架式又はばね動作式機器共振器２８１４を、ビークルの充電のために電源共振器２８１６内に降下させるとともに充電が終了した際に持ち上げるようにすることができる。実施例では、電源共振器２８１６に追加のドア又はフラップを設け、これにより破片が電源共振器内に落込むのを防止するようにするか、又は底を深くして破片が共振器の動作に影響を及ぼさない深さまで破片が共振器を通過して落ちるようにしうる。
【０１４４】
電源共振器として用いる又は機器共振器として用いる共振器の配置場所及び種類は、便利さ、配置場所、美観、環境、等の要因に依存させることができる。ある実施例及び配置場所では、電源共振器としてより大きな直径又は寸法を有する環状構造体を用いるのが好ましい。例えば、図２８に示すように、電源共振器２８１６としての環状構造体は、しばしばビークルの下の下部適用にするのが好ましい。その理由は、より小さい機器構造体２８１４はビークルのボディ内に一体化するのに容易となりうる為である。同様に、ビークルの屋根の上に装着する場合、しばしば機器共振器をより小さい構造体２８２６に形成し、ビークルの上部上の突出をより小さくするようにするのが好ましい。他の実施例では、環状構造体をビークル内に容易に一体化し且つエネルギーを受ける機器共振器として用いうるようにする。環状の機器共振器２８１０、２８０６、２８０４はビークル内に埋込み、ビークルのボディ又は外観内に一体化された構造が得られるようにすることができる。
【０１４５】
実施例では、電源及び機器は、これらの双方に破片及び障害物がない場合のみ、互いにしっかりと取付けられて対結合されるようにしうる。異物又は不要物体が共振器の付近に又は共振器により発生される高磁界の位置の付近に位置しない場合のみ、電源及び機器が対結合されるようにするために、電源共振器及び機器共振器の双方又は何れか一方が追加のカバー又はより大きな容器を有するようにしうる。如何なる障害物又は不要物体をも識別するか、又は除去するか、又は回避する、或いはこれらの任意の組合せを行うように、電源共振器及び機器共振器の双方又は何れか一方が、これらの最大に許容しうる対結合範囲内で回転又は移動するようにしうる。電源共振器及び機器共振器の双方又は何れか一方は、ある電力伝送効率及び動作モードを充電開始前に確実に達成しうるようにするために用いうるモニタ及び制御機構を有するようにしうる。実施例では、動作モードには、安全動作モード、温度制限された動作モード、電磁界レベルで制限された動作モード、周波数制限された動作モード、等を含めるようにしうる。
【０１４６】
環状共振器の設計には、電源共振器及び機器共振器を整列させるための機械的、電子的又は電気機械的手段を必要となる場合がある。電源共振器は、ビークル上に装着された機器共振器に対し機械的に位置決め又は整列されるようにしうる。又、機器共振器はビークル上の電源共振器に対し機械的に位置決め又は整列されるようにしうる。実施例では、整列処理が完全に自動化されるようにしうるとともに、任意の個数のセンサ、電源及び機器のサブシステム間の帰還ループ、カメラ、等を採用するようにしうる。
【０１４７】
他の実施例では、ビークル分野に対するコンパクトな共振器が、前述したようないわゆる平坦な共振器を有するようにしうる。平坦共振器のコイルの他の代表的な実施例は図２９に示してあり、リッツ線、銅線、等のような導電体２９１０が巻回された磁気材料２９０２の１つ以上のブロック又は片を有し、導電体が磁気材料２９０２の１つ以上のブロック又は片を囲むループを形成している。
【０１４８】
実施例では、共振器及び共振器コイルの形状及び寸法を調整して、共振器及び共振器コイルが特定の寸法の容器内に嵌合したり、他の共振器に対する所望の又は特定の結合係数を提供したり、特定の電力レベルを提供したりすること等を達成するようにすることができる。図２９に示す代表的な共振器コイルの場合、磁気材料及び共振器コイルは、ほぼ平坦な構造体が得られ、この構造体のｘ及びｙ方向の寸法が構造体の高さ、すなわちｚ方向の寸法の数倍となるように形成しうる。他の実施例では、ビークルに関する広さの制約により、構造体を各方向でほぼ等しい寸法を有するような形状にすることができる。
【０１４９】
ここで図２９に示す代表的な平坦形状の構造体に戻って説明するに、ある実施例では、ｚ方向で特定の又は最小の高さ、すなわち厚さを有する平坦な構造体を提供するのが望ましい場合がある。例えば、あるビークルには共振器構造体に対する比較的広い空間があり、この空間のｘ及びｙ方向の寸法は大きいが、ｚ方向に対しては極めて小さい場合がある。ｘ及びｙ方向の寸法が固定されている共振器構造体の場合、ｚ方向の寸法を出来るだけ減少させ、エネルギー伝送の効率、無線エネルギー伝送特性、クオリティファクタ、等における又は共振器構造体におけるトレードオフを許容しうるようにするのが望ましい場合がある。
【０１５０】
図３０は、図２９の構造体の切断図を示す。この図３０から明らかなように、この構造体のｚ方向寸法３００２の全体の厚さは、磁気材料２９０２のブロック又は片の厚さと磁気材料を囲んで巻回された導電体２９１０の太さ又は断面に依存する。導電体２９１０の断面は構造体の頂面及び底面に厚さを加えうる。
【０１５１】
共振器構造体のｚ方向の寸法は、磁気材料の厚さを減少させることにより減少させることができる。ある実施例では、磁気材料のｚ方向の厚さは、構造体及びシステムの他の制約に応じて決定しうる。例えば、磁気材料の厚さは、エネルギー伝送の所望の電力レベルにより決定しうる。共振器構造体の磁界による磁気材料の飽和を回避するために、磁気材料は固定のｘ方向の寸法に対し最小の断面又は最小の厚さとなるようにする必要がある。ある場合には、透磁率をより高くした磁気材料又はより高い磁束を許容しうる磁気材料或いはこれらの双方の磁気材料のような異なる磁気材料を用いることにより、飽和を生ぜしめることなく或いは追加の損失を生ぜしめたりすることなく磁気材料の厚さを減少させることができる。
【０１５２】
共振器構造体の厚さ、すなわちｚ方向の寸法は、導電体の断面又は高さを減少させることによっても減少させることができる。磁気材料の厚さの決定と同様に、共振器及び無線エネルギー伝送システムの所望の性能により、導電体の太さ、寸法、種類、等を決定することができる。導電体の有効なゲージは例えば、エネルギー伝送の所望の電力レベルにより決定することができる。機器を充電するか又は附勢するか、或いはその双方を達成する特定の電力レベルを得るためには、導電体が特定のレベルの電流に対処する必要がある。この電流を容易に得るようにするには、導電体を特定のゲージ、太さ又は種類とする必要がある。実施例では、ほぼ類似する電気特性を維持しつつ導電体の形状を調整しうるようにする。又、実施例では、円形断面のワイヤの直径又はｚ方向の寸法を減少させるために、ワイヤを楕円又は方形の形状に形成するとともに、形成された導電体を用いて共振器を組立てるようにしうる。断面を楕円とした導電体は例えば、その短軸が共振器構造体のｚ方向の次元と整列されるようにすることができる。断面を楕円とした導電体は、断面を円形とした導電体と同じ断面積又は同じ電気特性（抵抗、インピーダンス等）を有しうるが、共振器構造体の高さ又はｚ方向寸法を減少させることができる。
【０１５３】
ある実施例では、断面を非対称（楕円、方形等）とした導電体は、形成、巻回、操作、整列、配置、位置決め、購入、等を行うのが困難となる場合がある。例えば、非対称の導電体を巻回することは、導電体の断面の最短寸法方向が共振器構造体のｚ方向と確実に整列されるようにするのに導電体がよじれないように、導電体の方向付けを保つための制約を巻回機構に加えるおそれがある。
【０１５４】
本発明者は、共振器の性能を犠牲にすることなく且つ断面が非対称の導電体を用いることなく、共振器の巻回導電体の太さを低減させることにより、共振器構造体のｚ方向の寸法を減少させる方法を発見した。又、本発明者は、単一のより大きい導電体構造体を用いずに、２つのより小さい導電体構造体を用いることにより、同様な電磁特性を実現することができることを発見した。代表的な実施例では、より小さいワイヤゲージを有する２本の平行な導電体を用いることにより、１本のより大きなゲージの導電体を用いるのとほぼ類似する共振器特性を得るようにしうる。
【０１５５】
２本の平行なワイヤを用いる実施例を図３１に示す。共振器構造体は、導電体３１１０及び３１０８が巻回されて磁気材料を囲むループを形成する磁気材料の１つのブロック又は複数のブロック３１０２を有している。本実施例は、１本のより大きなゲージの導電体の代わりに、隣同士平行となるように磁気材料を囲んで巻回した、２本の独立のより小さいゲージの導電体を有する。これら２本の導電体は巻線の開始端及び終了端で互いに接続して、これら導電体が互いに電気的に並列となるようにしうる。これら２本の導電体は、これら導電体の端部を除いてこれら導電体の全長に沿って電気的に絶縁させるとともに、物理的に分離させることができ、これら導電体の端部では、２つの端部を互いに取付けるか又は共通電気ノードに取付けることにより２本の導電体（ワイヤ）を電気的に並列に接続する。例えば、２本の導電体は、端部３１０８及び３１１０を互いに接続しうるとともに、端部３１０４を端部３１０６に接続しうる双方の端部を除いて、電気的に分離させることができる。平行に延在し且つ並列に接続された２本のより小さい導電体によれば、１本のより大きなゲージのワイヤとほぼ同じ電気的特性を提供するが、構造体のｚ方向の寸法を減少させる。図３２に示すように、構造体のｚ方向の寸法３２０２は減少し、より小さいゲージのワイヤのｚ方向の寸法がより大きなゲージのワイヤのｚ方向の寸法の２分の１となる。
【０１５６】
実施例では、２本よりも多い平行導電体を用いて共振器構造体全体のｚ方向の寸法を更に減少させるようにしうる。実施例では、平行導電体の各々を互いに同じ種類、同じゲージ及び同じ長さとすることができる。他の実施例では、２本以上の平行導電体が互いに異なるゲージ及び種類の双方又は何れか一方を有するようにしうる。又、実施例では、互いに平行なワイヤの各々を、異なる周波数、異なる電流及び異なる電力に対し異なるように且つ最適化されるようにしうる。各導電体は磁気材料を囲むように巻回させ、且つ巻回数を異ならせるか又はループ数を異ならせ、或いはこれらの双方を達成するようにすることができる。
【０１５７】
実施例では、２本以上の平行導電体を、必ず電気的に並列に接続するようにするか、又は他の構成配置用に構成するか又は構成可能に又は再構成可能にするようにできる。例えば、各導電体を並列で選択的に切換えるか又は切断するように構成しうる。実施例では、平行導電体の本数を、共振器の電力レベル、周波数、電流、等に応じて適宜変更するようにしうる。例えば、無線エネルギー伝送の低電力モードでは、１つのみの平行導電体を用いることができる。高電力モードでは導電体中の循環電流をより高くすることができ、１つ以上の平行導電体を、既に電気的に接続された他の導電体に電気的に並列に切換えるか又は追加することができる。実施例では、平行導電体を互いに電気的に直列となるように切換えるか又は構成可能にして、必要に応じ共振器のインダクタンスを増大させるようにしうる。
【０１５８】
磁気材料のｚ方向の寸法、すなわち厚さに対する実施例では、磁気材料のエッジを囲んで巻回した導電体の曲げ半径が、共振器のエッジにおける構造体全体の厚さ、すなわちｚ方向の寸法を、共振器の中央部、すなわち共振器の最小のｚ方向の厚さに比べて増大させるおそれがあることを本発明者は気付いた。実施例では、磁気材料を囲んで巻回する導電体を斜めに延在させて、ワイヤの曲げ半径に対応するのに必要とする追加のｚ方向寸法を減少させるようにしうる。
【０１５９】
導管、リッツ線、編組線、等のような多くの種類の導電線の曲げ半径は最小となる。すなわち、この導電体は、特定の半径の曲線を囲んで最小の半径まで容易に曲げるか又は捻じるか、或いはこれらの双方を達成することができるが、最小の曲げ半径よりも小さい寸法に曲げた際には曲げるのが困難となるか、又は損傷するおそれがある。例えば、導管は、その意図する曲げ半径よりも小さい半径に曲げた際に、よじれ、ゆがみ及び折り目の何れか又は任意の組合せを生じるおそれがある。銅線をその意図する曲げ半径よりも小さい半径に曲げた際に、銅線の被覆層及び絶縁層が損傷されるおそれがあり且つ電線が波形となるか、縮むか又は損傷されるおそれがあり、或いはこれらの一方が生じるおそれがある。共振器のある実施例では、磁気材料の厚さ、すなわちｚ方向の寸法は、この磁気材料を囲んで巻回される導電体の最小曲げ半径よりも小さくしうる。このような実施例では、構造体のｚ方向寸法を、導電体の曲げ半径により限定しうる。
【０１６０】
構造体上の導電体の最小曲げ半径と関連して増大した共振器のｚ方向寸法を図３３Ａに示す。この図は、最小曲げ半径が磁気材料３３０６の厚さよりも大きい導電体３３０４の曲げ特性を示している。導電体３３０４の最小曲げ半径が磁気材料３３０６の厚さよりも大きい場合、導電体はワイヤの曲げ部分付近に隆起３３０２を形成する。この隆起３３０２は、構造体の残部又は一部のｚ方向寸法よりも厚くなるか、又はこのｚ方向寸法に加わる、すなわちこのｚ方向寸法よりも大きいｚ方向寸法を有するようになる。実施例では、共振器のｚ方向寸法に及ぼす導電体隆起の影響は、厚さが最小の曲げ半径よりも小さい磁気材料のエッジ及び区分の双方又は何れか一方の付近で導電体を斜めに延在させることにより減少させることができる。
【０１６１】
図３３Ｂは、導電体を垂直に延在させた例を示している。この図は、図２９に示す構造体に対するｘ方向から構造体を見たワイヤの透視図を示している。図３３Ｂでは、導電体３３０８、３３１０、３３１２、３３１４は、屈曲部が構造体のｚ方向に対し完全に平行となるように延在している。この垂直な延在により構造体のｚ方向の寸法に及ぼす隆起３３０２の影響を最大にするおそれがある。
【０１６２】
この隆起による影響は、導電体を磁気材料の最も肉薄の部分のエッジに対し斜めに延在させ、導電体の屈曲部が構造体のｚ方向軸線に対して斜めとなるようにすることにより減少させることができる。代表的な斜めの延在を図３３Ｄに示しており、この図は、図２９に示す構造体に対するｘ方向から構造体を見たワイヤの透視図を示している。導電体３３２８、３３３０、３３３２、３３３４は、ワイヤの屈曲部が共振器構造体のｚ軸線に対し斜めとなるように磁気材料３３３６を囲んで延在させることができる。この斜めの角度は、共振器構造体の最小曲げ半径による隆起に対応するのに用いうる追加のスペース又はスパンを提供する。実施例では、１０度以上の角度により必要なスペースを提供でき、且つ隆起を減少させることができる。この角度は、共振器構造体のｚ方向寸法に及ぼす隆起の影響を減少させる。図３３Ｃは、導電体ワイヤを斜めに巻回した場合のｙ方向に見た透視図を示す。この透視図から明らかなように、導電体ワイヤ３３２４を磁気材料３３２６囲むように巻回した際の、この導電体ワイヤ３３２４の隆起３３２２が減少される。
【０１６３】
本発明をある好適な実施例に関して上述したが、他の実施例は当業者により理解されるものであって本発明の範囲内に入るものであり、広い意味で法律により許容されるものと解釈されるべきものである。例えば、無線電力伝送に関連する設計、方法、構成素子の構造等は、種々の特定の適用分野及びその例と一緒に上述されたものである。当業者にとって明らかなように、上述した設計、構成素子、構成素子の構造は組合せて又は交換可能に用いることができ、上述したことは構成素子のこのような交換可能性又は組合せをここに述べたことのみに限定されるものではない。
【０１６４】
ここで参照した全ての文献は参考のためにここに導入したものである。
【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（ａ）】
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【図１９（ｂ）】
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【図１９（ｃ）】
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【図１９（ｄ）】
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【図２０（ａ）】
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【図２０（ｂ）】
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【図２０（ｃ）】
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【図２１】
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【図２２（ａ）】
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【図２２（ｂ）】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【図３３Ｄ】
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