(57)【要約】  ワイヤレス電力伝送の技術。アンテナは、アンテナにその実際のサイズよりも大きい効果的なサイズを持たせるために、磁束を拡大する部分を持つ。【選択図】  図１５
2010539857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力の電磁伝送を受信するシステムにおいて、
インダクタンスを形成する少なくとも一つのループから形成されたワイヤとキャパシタンスとを備えたワイヤループアンテナを具備し、前記ワイヤループアンテナは、第１の特定の周波数の磁界を受信し、電力を含む前記磁界を受信することに基づく出力を産出するために調整されたＬＣ値を持ち、
前記アンテナは、ワイヤループアンテナの実際の半径を増加させることなく、前記アンテナのワイヤループ部分の等価半径を増加させる前記ワイヤループアンテナに関連した第１の電気的部分を含む、
システム。
【請求項２】
前記ワイヤループは矩形ループである、請求項１のようなシステム。
【請求項３】
前記矩形ループは丸くされたエッジを持つ、請求項２のようなシステム。
【請求項４】
前記第１の電気的部分は、まるで前記ワイヤループがその物理半径よりも大きい等価半径を持つかのように前記磁界が生成されることを引き起こす、  請求項１のようなアンテナシステム。
【請求項５】
前記第１の電気的部分は、フェライト材料で形成された部分を含む、請求項１のようなアンテナシステム。
【請求項６】
前記第１の電気的部分は、既に存在する磁束に付加的磁束を加えている材料から形成された部分を含む、請求項１のようなアンテナシステム。
【請求項７】
前記第１の電気的部分は、磁束拡大部分である、請求項１のようなアンテナシステム。
【請求項８】
前記磁束拡大部分は比透磁率を持ち、前記磁束拡大は前記比透磁率の平方根によって増加される、請求項７のようなアンテナシステム。
【請求項９】
前記磁束拡大部分はロッドを含み、磁束拡大量は前記ロッドの長さに関係付けられる、請求項７のようなアンテナシステム。
【請求項１０】
モバイル電子装置の収納に適用されるハウジングをさらに具備し、前記ワイヤループアンテナは、前記ハウジングの少なくとも一つのエリアを囲むために適応される、請求項１のようなシステム。
【請求項１１】
前記出力を伝える、ワイヤレス電力回路に対する接続をさらに具備する、請求項１のようなシステム。
【請求項１２】
前記ワイヤループアンテナは、前記ハウジングの完全な外部の周囲を囲む、請求項１０のようなシステム。
【請求項１３】
前記ハウジングは金属材料で形成され、前記アンテナは前記金属材料から分離されている、請求項１０のようなシステム。
【請求項１４】
前記分離は、磁界が逃げることができるサイズのギャップを形成する、請求項１３のようなシステム。
【請求項１５】
前記ループアンテナは、前記ハウジングから分離されており、そのうえ相対的に移動可能である、請求項１３のようなシステム。
【請求項１６】
前記ハウジングに結合されたフェライト部分をさらに具備し、前記ハウジングから分離された前記アンテナの少なくとも一部分を保持する、請求項１３のようなシステム。
【請求項１７】
モバイル電子装置の収納に適用されるハウジングをさらに具備し、前記ロッドは、前記ハウジング内にあり、前記ワイヤループアンテナは前記ロッドの周囲に巻かれる、請求項９のようなシステム。
【請求項１８】
前記ハウジングにおける少なくとも一つの開口をさらに具備し、磁界が前記開口を通過し、前記ロッドと相互作用することを可能にする、請求項１のようなシステム。
【請求項１９】
前記ロッドはフェライト材料で形成される、請求項１８のようなシステム。
【請求項２０】
前記ハウジングにおけるスロットをさらに具備する、請求項１７のようなシステム。
【請求項２１】
前記ハウジングは伝導性材料で形成される、請求項２０のようなシステム。
【請求項２２】
電力の電磁伝送を受信する方法において、
磁界の周波数で共振する値に調整されるワイヤループアンテナによって形成されたＬＣ比を備える共振器を使用すること、ここで前記共振器はインダクタンスを形成するワイヤループを持ちさらにキャパシタンスを持ち、
前記使用することは、ワイヤループアンテナの実際の半径を増加させることなく、前記アンテナのワイヤループ部分の等価半径を増加させることを具備し、
前記磁界を受信することおよびそのうえに基づいて使用可能電力を産出すること、
電力を含む前記磁界を受信することに基づいて、負荷に前記電力を適用し、前記負荷に電力を送ること
を具備する方法。
【請求項２３】
前記ワイヤループは矩形ループである、請求項２２のような方法。
【請求項２４】
前記矩形ループは丸くされたエッジを持つ、請求項２３のような方法。
【請求項２５】
前記増加させることは、既に存在している磁束に、付加的な磁束を加えることを具備する、請求項２３のような方法。
【請求項２６】
前記共振器によって作成された磁束を拡大することをさらに具備する、請求項２３のような方法。
【請求項２７】
モバイル電子装置の収納に適用されるハウジングをさらに具備し、前記ハウジングの少なくとも一つのエリアを囲むために適応される前記ワイヤループアンテナを使用することをさらに具備する、請求項２３のような方法。
【請求項２８】
前記ワイヤループアンテナは、前記ハウジングの完全な外部の周囲を囲む、請求項２７のような方法。
【請求項２９】
前記ハウジングは金属材料で形成され、前記金属材料から分離されている前記ワイヤループアンテナを使用することをさらに具備する、請求項２７のような方法。
【請求項３０】
前記ワイヤループアンテナと前記金属材料との間のギャップを使用することをさらに具備し、磁界が逃げることができることを許容する、請求項２９のような方法。
【請求項３１】
前記ループアンテナは前記ハウジングから分離されており、前記ハウジングに対して相対的に移動可能な前記ループアンテナの移動が可能であることをさらに具備する、請求項２２のような方法。
【請求項３２】
電磁電力伝送のためのアンテナシステムにおいて、
誘電性ループとキャパシタ素子とによって形成される共振器と、
前記共振器における外部の物体の影響に対する補正を行う第１の補正構造と、
を具備する、アンテナシステム。
【請求項３３】
前記アンテナは、１５００より大きいＱ係数を持つ、請求項３２のシステム。
【請求項３４】
請求項３２のようなアンテナにおいて、前記アンテナシステムは２０００よりも大きいＱ係数を持つ。
【請求項３５】
前記アンテナは、単一のループアンテナである、請求項３４のようなシステム。
【請求項３６】
前記誘電性ループは矩形形状を持つ、請求項３２のようなシステム。
【請求項３７】
環境が誘電損または渦電流損を持つか判断すること、
前記判断に基づいて、渦電流損が優勢な環境に対して、キャパシタンス比率共振器への高インダクタンスを備えた共振器を選択すること、
前記判断に基づいて、誘電損が優勢な環境に対して、キャパシタンス比率共振器への低インダクタンスを選択すること、
システムの一部として前記選択された共振器を使用し、電磁電力伝送から電力を回収すること、
を具備する、方法。
【請求項３８】
キャパシタンス比率アンテナに対する前記低インダクタンスは、誘電性ループの２巻きを超える、請求項３７のような方法。
【請求項３９】
キャパシタンス比率アンテナに対する前記高インダクタンスは、誘電性ループの２または少数の巻きを持つ、請求項３７のような方法。
【請求項４０】
前記アンテナは、１５００を超えるＱを持つ、請求項３７のような方法。
【請求項４１】
ワイヤレス電力を受信するシステムにおいて、
モバイル電子装置を収納するために適用されるハウジングと、
前記ハウジングの少なくとも一つのエリアを囲むために適応されるループアンテナ部分と、
ワイヤレス電力回路に対する接続と、
を具備する、システム。
【請求項４２】
前記アンテナの少なくとも一部は、前記ハウジングの完全な外部の周囲を囲む、請求項４１のようなシステム。
【請求項４３】
前記ハウジングは非金属材料で形成され、前記アンテナは物理的に前記非金属材料接触している、請求項４２のようなシステム。
【請求項４４】
前記ハウジングは金属材料で形成され、前記アンテナは前記金属材料から分離されている、請求項４１のようなシステム。
【請求項４５】
前記分離は、磁気電流が逃げることができるサイズのギャップを形成する、請求項４４のようなシステム。
【請求項４６】
前記ループアンテナは、前記ハウジングから分離されており、そのうえ相対的に移動可能である、請求項４１のようなシステム。
【請求項４７】
前記ハウジングに結合されたフェライト部分をさらに具備し、前記アンテナの少なくとも一部を保持する、請求項４１のようなシステム。
【請求項４８】
ワイヤレス電力を受信するシステムにおいて、
モバイル電子装置の収納に適用されるハウジングと、
少なくとも前記ハウジングの第１の側から前記ハウジングの第２の側までにわたって横断して伸びるコイル巻き線フォームと、
前記フォームの周りで巻かれているコイルと、
磁界が前記フォームと相互作用することを可能にする、少なくとも一つの開口と前記ハウジングと、
を具備する、請求項４２のシステム。
【請求項４９】
前記フォームはフェライト材料で形成される、請求項４８のようなシステム。
【請求項５０】
前記ハウジングにおけるスロットをさらに具備する、請求項４８のようなシステム。
【請求項５１】
前記ハウジングは伝導性材料で形成される、請求項４８のようなシステム。
【請求項５２】
前記フォームは円筒形フォームである、請求項４８のようなシステム。
【請求項５３】
力学的歪みから電気エネルギーに変換する第１の材料の第１のレイヤと、
前記第１のレイヤと力学的に接触し、感知可能な第２の材料で形成され、印加された次回によって位置の変化が引き起こされる第２のレイヤと、
前記第１のレイヤから電気エネルギーを受け取るために接続される出力端子と、
を具備する、システム。
【請求項５４】
前記第２のレイヤは電気的に伝導性のある磁歪材料である、請求項５３のようなシステム。
【請求項５５】
前記第１のレイヤは圧電材料である、請求項５３のようなシステム。
【請求項５６】
前記出力端子は前記第２のレイヤに直接的に接続される、請求項５３のようなシステム。
【請求項５７】
前記第１のレイヤで形成される第３のレイヤがあり、前記第２のレイヤは前記第１のレイヤと前記第３のレイヤとに挟まれており、前記第１の材料は電気的に伝導性があり、前記出力端子は、前記第１の材料のうちの前記第１と第３のレイヤに接続される、請求項５６のようなシステム。
【請求項５８】
前記第１の材料は、変化する磁場が前記第２部分を圧縮するように配置されている、請求項５７のようなシステム。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本願は、２００７年９月１７日に出願された仮出願第６０／９７３，１６６号からの優先権を主張し、その開示の全体的な内容は参照によりここに組み込まれている。
【背景】
【０００２】
電磁界を誘導するワイヤを使用することなく、送り側から受け側に電気エネルギーを伝送することが望まれる。以前の試みの問題は、不十分な量の送信電力に加えて、低効率であることである。
【０００３】
限定されないが、“ワイヤレス装置および方法”と題する、２００８年１月２２日に出願され、その開示の全体の内容が参照によりここに組み込まれている米国特許番号第１２／０１８，０６９号を含む、我々の以前の出願および仮出願は、電力のワイヤレス伝送を記述している。
【０００４】
このシステムは送信アンテナおよび受信アンテナを使用することができ、送信アンテナおよび受信アンテナは、例えば、５％，１０％の共振、１５％の共振、２０％の共振内で実質的に共振する共振アンテナであることが好ましい。アンテナは、アンテナに対する利用可能な空間が限定されている移動体、ハンドヘルドデバイスに適合することを可能にするために、小さいサイズであることが好ましく、コストは要因になるだろう。効率的な電力伝送は、伝わる電磁波の形態でエネルギーを自由空間に送る代わりに、送信アンテナの近接場においてエネルギーを蓄積することによって、２つのアンテナ間で実行されてもよい。高いクオリティファクタを有するアンテナを使用できる。２つの高Ｑアンテナが疎結合変圧器に対して同様な反応をするように、それらは置かれ、１つのアンテナは他方のアンテナへの電力を誘導する。アンテナは、１０００より大きいＱを有することが好ましい。
【概要】
【０００５】
本出願は、電磁界結合を通して、電力の送り側から電力の受け側へエネルギーを伝送することを記述する。実施形態はエネルギー伝送を最大化する技術を説明している。
【０００６】
これらの、および他の観点を、添付図面を参照して、これから詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、ワイヤレス電力システムの基本ブロック図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、非放射ワイヤレス伝送の距離制限を示すブロック図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、非放射ワイヤレス伝送の距離制限を示すブロック図を示す。
【図３】図３は、共振コイルアンテナを使用するワイヤレス伝送を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、ロス部分を示す共振周波数における等価回路を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ロス部分を示す共振周波数における等価回路を示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、相互インダクタンスの等価回路を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、異なるソレノイドジオメトリー（図形的配列）を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、異なるソレノイドジオメトリーを示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、異なるソレノイドジオメトリーを示す。
【図６】図６は、矩形共振ループを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、キュート係数動作を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、キュート係数動作を示す。
【図８】図８は、結合ループを示す。
【図９】図９は、電力伝送対距離のグラフを示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、高共振器における損失のある環境の影響を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、高共振器における損失のある環境の影響を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１１Ｄ】
【図１２Ａ】図１２Ａは、ポータブルデバイスへのワイヤレス電力の組み込みを示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、ポータブルデバイスへのワイヤレス電力の組み込みを示す。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、ポータブルデバイスへのワイヤレス電力の組み込みを示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、このようなデバイスのパッケージへアンテナを組み込むことができる異なる方法を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、このようなデバイスのパッケージへアンテナを組み込むことができる異なる方法を示す。
【図１４】図１４は、フェライトロッド内の磁界とダイポールモーメントを示す。
【図１５】図１５は、フェライトロッドの磁束集中効果を図示する。
【図１６】図１６は、フェライトアンテナのジャイロ磁気効果をどのように活用するかを示す。
【図１７】図１７は、ねじりタイプマグネットメカニカルシステムの基本原理を図示する。
【図１８】図１８は、低磁界からの電力を発生させるために、磁気制限および圧電デバイスをどのように使用するかを図示する。
【詳細な説明】
【０００８】
基本的な実施形態が図１中で示されている。電力送信機アセンブリ１００が、源から、例えば、ＡＣプラグ１０２から電力を受け取る。周波数発生器１０４が、ここでは共振アンテナであるアンテナ１１０にエネルギーを結合するために使用される。アンテナ１１０は誘導ループ１１１を含み、誘導ループ１１１は、高Ｑ共振アンテナ部１１２に誘導的に結合されている。共振アンテナは、Ｎ個のコイルループ１１３を含み、各ループは、半径ＲAを有する。ここでは、可変コンデンサとして示されるコンデンサ１１４が、コイル１１３に直列に接続され、共振ループを形成する。実施形態において、コンデンサは、コイルとは完全に別の構造であるが、いくつかの実施形態において、コイルを形成するワイヤの自己キャパシタンスは、コンデンサ１１４を形成できる。
【０００９】
周波数発生器１０４は、アンテナ１１０に対して調整でき、さらに、ＦＣＣコンプライアンスに対して選択できることが好ましい。
【００１０】
本実施形態は、多指向性アンテナを使用する。１１５は、出力としてエネルギーを全方向に示している。アンテナの出力の多くは、電磁放射エネルギーではなく、むしろ、より静止している磁界という意味では、アンテナ１００は非放射である。もちろん、アンテナからの出力の部分は、実施には放射されるだろう。
【００１１】
別の実施形態は、放射性アンテナを使用してもよい。
【００１２】
受信機１５０は、送信アンテナ１１０から距離Ｄだけ離れて置かれた受信アンテナ１５５を含む。受信アンテナは同様に、誘導結合ループ１５２に結合され、コイル部とコンデンサとを有する、高Ｑ共振コイルアンテナ１５１である。結合ループ１５２の出力は、整流器１６０において整流され、負荷に適用される。その負荷は、任意のタイプの負荷とすることができ、例えば、電球のような抵抗型負荷、あるいは、電気器具、コンピュータ、充電可能バッテリ、音楽プレイヤー、または自動車のような電子デバイス負荷である。
【００１３】
実施形態として、ここでは、磁界結合を主に記述するが、エネルギーは、電界結合または磁界結合のいずれかを通して伝送できる。
【００１４】
電界結合は、開コンデンサまたは誘電体ディスクである誘導性負荷電気ダイポールを提供する。外部からのオブジェクトが、電界結合に比較的強い影響を与えるかもしれない。磁界における、外部からのオブジェクトは、“空の”空間と同じ磁気特性を有することから、磁界結合が好まれるかもしれない。
【００１５】
実施形態は、容量性負荷磁気ダイポールを使用する磁界結合を記述する。そのようなダイポールは、アンテナを共振状態に電気的にロードするコンデンサに直列に接続されている、コイルの少なくとも１つのループまたは巻きを形成するワイヤループから形成される。
【００１６】
しかしながら、ワイヤレスエネルギー伝送は、効率の解析を必要とする。効率データは以下のように表すことができる。
【数１】
2010539857.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｐrは受信アンテナにおいて出力される電力であり、Ｐtは送信アンテナにおいて入力される電力である。
【００１８】
発明者は電界結合と磁界結合の両方を考察し、磁界結合がワイヤレス電力伝送に対してより見込みがあると判断した。電界結合は近接電力送信に対して見込みがあるかもしれないが、電界結合からの重要な問題は、外部物体からの比較的強い影響を示すことである。電界結合は、例えばオープンコンデンサまたは誘電体ディスクである、誘電的に負荷された電気ダイポールを使用する。
【００１９】
実施形態にしたがって使用されるような磁界結合は、実施形態中で説明されているような容量的に負荷された磁気ダイポールアンテナを使用する。このアンテナは、伝導性単一ループ、または、インダクタンスに渡って取り付けられたコンデンサを持つ一連のループを含むことができる。磁界結合は、外部物体から比較的弱い影響しかない利点を有する。
【００２０】
図２Ａおよび２Ｂは、非放射エネルギー伝送に対する典型的な“近接場”条件を図示している。情報を伝送しているコイルと、情報の受信機との間の処理は、図２Ａに示されている配置に対して図２Ｂにプロットされている。もちろん、このエネルギー伝送特性は、使用される周波数や、アンテナおよび受信機の特性を含む、異なるパラメータに大きく依存する。しかしながら、図２Ａおよび２Ｂ中で示されている特定の組の特性に対して、図２Ｂ中で示されている距離曲線が得られ、３．５ｍにおいて妥当なエネルギー伝送量を示している。
【００２１】
この技術の好ましい特徴は、キャパシタンス３０５と直列のインダクタンスコイル３００を有する共振コイルアンテナを使用することである。図３は、磁界と共振コイルアンテナとを使用してワイヤレスに送信されている、送信機からの電力を受信している受信機３０１を図示している。送信機２９９は、結合ループへ３１２への電力Ｐtを発生させる高周波数発生器３１０を備えている。結合ループはこの電力をメインアンテナ３００に結合させる。メインアンテナ３００はＲAのコイル半径および巻き数Ｎを有する。アンテナはキャパシタンス３０５と直列なコイル部分３０３を備えている。コイルのＬＣ値とキャパシタンスは駆動周波数に共振するように同調し、ここで好ましくは１３．５６ＭＨｚである。これは、３５０のように示される磁界Ｈを作る。
【００２２】
受信コイル３２０は、磁界の領域内で、送信アンテナから伝送距離ｄ離れて配置されるとともに、直列に接続されたキャパシタンス３２１を持つ。アンテナ３２０，３２１から受信されたエネルギーは、結合ループ３２５に結合され、負荷３３０に送られる。負荷は、例えば、その中に、電力整流回路網を含むとしてもよい。
【００２３】
回路内の損失抵抗は、放射抵抗、渦電流損失、表皮および近接効果、および誘電損に依存する。
【００２４】
図４Ａおよび４Ｂは、等価回路図と、この図に等価な損失回路を示す。図４Ａの等価回路は、図３Ａに描画されたそれらに対する等価回路を示し、受信キャパシタンス３２１と同様に、ＨＦ発生器３１０、結合コイル３１２、主コイル３０３、キャパシタンス３０５、の等価図を含む。しかしながら、図４Ａは、渦電流損失などと同様に、等価損失抵抗Ｒs ４００を示す。図４Ｂは、放射抵抗４１０、渦電流損失４２０、および他の影響を示す。
【００２５】
図４Ｃは、どのようにすれば相互インダクタンスの等価回路が形成されることが可能かを示し、相互電圧インダクタンスが互いに対してオフセットされることが可能であった。例えば、２つの供給源における電流の流れは、それらの相互インダクタンスにしたがって互いに等価とされることができる。
【００２６】
伝送効果は、以下の式にしたがって求められる。
【数２】
2010539857.tif 000004
【数３】
2010539857.tif 000005
【数４】
2010539857.tif 000006
【００２７】
３つの特定のコイルジオメトリーフォームは図５Ａ−５Ｃに示される。
【００２８】
図５Ａは、ソレノイドの全厚さは値ＩAである場合の空気ソレノイドを示す。図５Ｂは、ループを示し、コイルに巻まれた部品の部分は互いにとても接近している。このループにおいて、値Ｉは、半径ｒAよりも非常に少ない。最後に、図５Ｃは、フェライトロッドアンテナの実施形態を示す。
【００２９】
コイル特性は、次のようになる：
【数５】
2010539857.tif 000007
【００３０】
伝送効果は、それゆえ以下のように計算されることができる。
【数６】
2010539857.tif 000008
【００３１】
したがって、Ｑ−係数を与えられ、効率はもはや周波数の関数ではい。
【００３２】
効率は、ｄ6にあわせて減少する。
【００３３】
２倍の送信機コイル半径は、ｓｑｒｔ（２）＝（４１％）によってレンジを増加する。
【００３４】
２倍の送信機Ｑ−係数は効果を２倍する。
【００３５】
２倍のＱ−係数は、２の６乗根（１２％）によってのみ距離を増加する。
【数７】
2010539857.tif 000009
【数８】
2010539857.tif 000010
【数９】
2010539857.tif 000011
【数１０】
2010539857.tif 000012
【００３６】
これらの特性に基づいて、結合係数は主として幾何学的パラメータと距離の関数と考えることができる。距離はコントロールされることができないが、、もちろん幾何学的パラメータはできる。相互インダクタンス、アンテナの総損失抵抗、および動作周波数は、さらに効率に関係してもよい。
【００３７】
より低い周波数は、より高い周波数と同じ伝送効率を得るために、より低い損失抵抗またはより高い相互インダクタンスを要求してもよい。
【００３８】
矩形ループのための伝送効率は、図６に示される特性を持つループに対して、以下のとおりである。
【数１１】
2010539857.tif 000013
【００３９】
巻き数の最適化は、次のように検討されることができる：
【数１２】
2010539857.tif 000014
【００４０】
ただし、コイルの長さｌＡ、半径ｒＡ、θ＝２ｃ／２ｂのピッチワイヤ直径比である。
【００４１】
共振周波数が最適化パラメータとして使用される場合、
【数１３】
2010539857.tif 000015
【００４２】
図７Ａおよび７Ｂは、いくつかの特定の数の例を示す。コイル半径ｒａが８．５ｃｍに対して；８ｃｍのコイル長ｌａ、６ｍｍのワイヤ直径、８の巻き数Ｎ、および銅５８×１０6のワイヤ伝導率。図７Ａは、共振７００に必要とされたキャパシタンスを示し、自己キャパシタンス範囲７０５を示す。図７Ｂは、１３．５６ＭｈｚにおいてＱ係数７２０を示す;再び自己キャパシタンス範囲７２５を示す。
【００４３】
これらの方程式から、我々は、与えられたコイルフォーム係数に対してＱ係数が巻き数にある程度まで独立しているという結論を導き出すことができる。より厚いワイヤおよびより少ない巻き線から形成されたコイルは、より高い巻き数を持つコイルと同様に働いてもよい。しかしながら、Ｑ係数は、周波数に高度に依存する。低周波において、Ｑ係数はf1/2にしたがって増加する。これは主として表皮効果に依存する。より高い周波数において、キー係数はｆ-7/2として増加する。これは、表皮効果プラス放射抵抗に依存する。
【００４４】
Ｑが最大化される場合、最適の周波数が存在する。任意の与えられたコイルについて、これはコイルのフォームファクタに依存する。しかしながら、最大のＱが、ほとんど常にコイルの周波数に対する自己共振上に発生する。自己共振の近くで、コイル共振器はその環境に非常に敏感である。
【００４５】
図８は、結果を最大化する値を見つけるために行なわれた実験を示す。これは、次の特性を持つコイルを使用する。
【数１４】
2010539857.tif 000016
【００４６】
これは、図９に示される結果を生み、距離にわたって、算出されたよりわずかに高い効率を示す。
【００４７】
この開示による磁気電力伝送は、改善された効率に対する高Ｑに依存してもよい。損失のある環境は、高Ｑ共振器に有害な効果をもたらすことができる。テーブルのような誘電体１０１０のような損失物質または金属部分１０００のような伝導体の近くのアンテナ１００５の使用は、図１０Ａに示される。余分の部品は、図１０Ｂの等価回路でモデル化されるように示されることができる外部物体を生成する。一般に、これらは自己共振周波数を変更し、補正されない場合にＱ係数をシフトまたは下げるだろう。ある実施形態において、ここに記述された異なる同調素子のような同調素子はさらに含まれていてもよく、それはアンテナのＱに対する外部物質の影響を補正することができる。
【００４８】
環境の影響を減少させるために、様々な手段は取ることができる。最初に、Ｑ係数を考慮し、
【数１５】
2010539857.tif 000017
【００４９】
これは、共振器設計に１自由度を残す３つの変数および２つの方程式である。
【００５０】
キャパシタンス比率に対して低いインダクタンスを持つ共振器は、誘電損が優勢な環境においてより安定している傾向がある。これに対して、キャパシタンス比率共鳴器への高いインダクタンスは、渦電流損が優勢な環境においてより安定している傾向がある。
【００５１】
通常、誘電損は優勢であり、従って、通常、低いＬ／Ｃ比率を持つことはよい。
【００５２】
図１１Ａは、その高Ｌ／Ｃ比率共振回路用の等価回路が、図１１Ｂに示されている共振器を示す。この共振器は、次に示すことができる:
【数１６】
2010539857.tif 000018
【００５３】
損失のある誘電体からの強い影響があることに注意すべきである。
【００５４】
図１１Ｃは、低い巻数、これゆえに低いＬ／Ｃ比率を持つループ共振器を示す。図１１Ｄは、誘電体からの減少された影響があることを示す。
【数１７】
2010539857.tif 000019
【００５５】
損失のある誘電体を備えた環境用の典型的な共振器は、７巻き、１７ｃｍコイル直径を持つ銅線にめっきされた６ｍｍ銀、１０ｐＦの空気コンデンサを使用してもよい、１３．５６ＭＨｚプラス結合ループを含むことができる。これに対して、この周波数用の低いＬ／Ｃ比率共振器は、銅管にめっきされた３ｃｍの銀、４０ｃｍの直径ループおよび２００ｐｆの高電圧真空コンデンサを使用して、結合ループなしで動作することができる。
【００５６】
低いＬ／Ｃ共振アンテナについて、真空コンデンサは、著しい利点を生むだろう。これらは数ナノファラッドの容量値において利用可能で、非常に低い直列抵抗で５０００を越えるＱ値を供給するかもしれない。さらに、これらのコンデンサは、数キロボルトまでＲＦ電圧および１００ＡまでＲＦ電流を保持することができる。
【００５７】
上記から簡潔するように、例えば多重巻きループのように高Ｌ／Ｃ比率共振器アンテナは、損失のある誘電体により敏感である。例えば単巻きループのように低Ｌ／Ｃ比率共振器アンテナは、損失のある誘電性または強磁性の環境に、より敏感である。しかしながら、記述されたアンテナのＱ係数は、１５００−２６００の間に変わってもよい。直径について４０ｃｍの単一巻き送信ループは、２０００より大きいＱ値を持つとしてもよい。
【００５８】
ワイヤレス電力は、図１２Ａ−１２Ｃに示されるように、ポータブルデバイスおよび多くの異なる方法へ取り込まれてもよい。図１２Ａは、非電気的伝導性ハウジング１２００がそのケースの周囲を囲み、その周囲に触れるループアンテナ１２０５を持っていてもよいことを示す。ハウジングはアンテナを妨害せずに、バッテリを挿入し取り除くことを可能にする開口部があってもよい。図１２Ｂは、ギャップ１２２１によってそのケース自体から分けられたているピギーバック絶縁体１２２２がある金属ケース１２２０を示す。アンテナコイル１２２４は、絶縁体１２２２に形成される。エスケープのために、アンテナによって作成された磁界１２２６は、そのギャップ１２２１を通過する。
【００５９】
図１２Ｃは、どのようにして、金属ケース１２４０が、ローテート、スライド、または、そのケースから離れてホールドする展開可能ループアンテナを持つクラムシェルに使用可能かを示す。
【００６０】
図１３Ａおよび１３Ｂは、渦電流の影響を最小化する方法においてケースに対して統合された多重巻きループアンテナを示す。図１３Ａに示されるような金属ケース１３００は、高透磁率フェライトシート１３０５で覆われていてもよい。図１３Ａの断面に示されるように、ループアンテナ１３１０は、フェライトシート１３０５上で直接働くことができる。このことは、フェライト材料が著しい利点を生む場合に、低周波でより有効かもしれない。
【００６１】
図１３Ｂは、金属ケース内の高透磁率フェライトロッド、およびそのフェライトロッドに巻きつけられたコイルを使用することを示す。開放スロットまたはスロットされた領域１３６０は、磁界が受信されることによってその領域を提供してもよい。
【００６２】
動作周波数において、明記された送信機位置で明記された磁界強度が与えられると、受信電力は次のように表現されるとしてもよい:
【数１８】
2010539857.tif 000020
【００６３】
ここで：
【数１９】
2010539857.tif 000021
【００６４】
Ｎの値、巻き数、が分子と分母の両方に現れる（分子では２乗された項として現れる）ことに、この方程式によって注意すべきである。
【００６５】
さらに、電力は、Ａw；巻き線の断面積に反比例する。断面積の増加は、電力産出を改善するとしてもよい。しかしながら、このことは、実際的な集積化に対して重すぎ、かさばるようになるだろう。
【００６６】
値δは、ワイヤ材料の電気伝導率を表わす。これを増加させることは、０．５〜１の範囲で指数Ｋを持つδkに比例した電力産出を増加させるだろう。銅と銀は、銅よりはるかに高価な銀を持つ最良のコンダクタである。室温超伝導は、この値を改善ことができる。ＲAは、物理的または等価な半径を表わす。しかしながら、この物理的な半径は、アンテナが統合されているデバイスのフォームファクタによって制限されている。このタイプのワイヤループの等価半径は、ワイヤループ内で起電力を生成するために、交番磁束をローカルに増加させる材料またはデバイスの使用を通じて増加されるだろう。
【００６７】
受信された電力がこの半径の４乗に比例するので、この等価半径を増加させることは非常に有効なアンテナパラメータであろう。さらに、等価半径を増加させることは、Ｒ2によってＱ係数を増加させる。このことは、２倍の利益を生む。
【数２０】
2010539857.tif 000022
【００６８】
本実施形態は、その実際の半径を増加させずに、ワイヤループアンテナの等価半径を増加させることを開示する。第１の技術は、フェライトのような強磁性の特性を持つ材料を使用する。さらに、フェライトの磁気回転効果を利用することが可能である。加えて、マグネトＭＥＭＳシステムの使用は、このために使用することができる。これらの技術の各々は、別々に議論されるだろう。
【００６９】
強磁性の特性を持つ材料(０を越える磁化率χm)は、コイルの内部の磁束密度を拡大することができる。
【数２１】
2010539857.tif 000023
【００７０】
ここで、Ｍは材料の磁化であり、ｕrは材料の比透磁率である。本質中の強磁性体は、既に存在する磁束に付加的な磁束を加える。この付加的な磁束は、材料の内部にある微視的な磁石または磁気双極子から起こる。
【００７１】
磁気双極子モーメントは、原子中の電子スピンおよび軌道角運動量に起因する。モーメントは、電子殻および傷つけられない/補正されなかったスピンを部分的に満たされた原子からほとんど来る。これらの原子は、有用な磁気双極子モーメントを示してもよい。
【００７２】
外部磁界が適用される場合、格子ドメインの中で組織された磁気双極子は外部場と提携する。図１４を参照する。より高い印加磁界は、より多くのワイスドメインが磁界で整列されることを引き起こす。一旦、それらのドメインがすべて完全に整列されれば、生じる磁束はさらに増加することができない。この整列は、飽和されると呼ばれる。
【００７３】
フェライト材料は、典型的には印加磁界またはＨ場と、生じるＢ場との間のヒステリシス効果を示す。Ｂ場はＨ場より遅れる。フェライトロッドに巻きつけられた誘導コイルにおいて、この効果は、誘導子に対する、ＡＣ電流と交ＡＣ電圧との間の非９０度の位相のシフトを引き起こす。低いＨ場強度では、ヒステリシス効果は弱められ、それによって、損失を縮小する。
【００７４】
フェライトロッドの磁束拡大効果は、例えば、直径長さ比などのように、使用されるフェライト材料の比透磁率（μr）、およびそのロッドのフォームファクタとの双方に依存している。フェライトロッドとコイルアンテナとの効果は、典型的にμrよりもはるかに小さい等価な比透磁率μeによって記述されてもよい。無限の直径および長さ比μeは、μrに接近する。フェライトロッドの効果は、  によってアンテナコイル半径の増加と等価である。１ＭＨｚ未満の周波数および比率
【数２２】
2010539857.tif 000024
【００７５】
において、フェライトによる等価半径の増加は、約３から４であるだろう。それにもかかわらず、物理的なサイズ拘束に依存して、フェライトロッドの使用は、電力産出が  にしたがって増加する有益な検討であろう。
【数２３】
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【００７６】
図１５は、どのようにして、フェライトロッドが、物理半径ＲAを、物理半径より大きい等価半径ＲA,eに増加させることができるか示す。本質的には、ワイヤループアンテナ中のフェライトの使用は、ｓｑｒｔ（μe）の係数によるコイル半径の増加と等価な係数μeによる磁束の拡大を引き起こす。
【００７７】
もしコイル半径が小さくなければ、フェライトは、μeを増加させるために比較的長い必要があるかもしれない。フェライトアンテナは、ロッドの内部の磁束を集中し、さらに環境への感度を低下させてもよい。
【００７８】
フェライトのようなある材料のジャイロ磁気効果は、また磁束を増加させるために使用されることができる。静磁界が、それが飽和するように強磁性体に適用される場合、原子の磁気双極子モーメントは、静磁界の方向によって定義された軸の周りの歳差運動を行なう。このことは、以下の各周波数を持つ。
【数２４】
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【００７９】
ここで、
【数２５】
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【００８０】
図１６は、電流ループと場を例示する。交番磁界は、材料が電子流スピンループを引き起こすために適用される。
【００８１】
その比透磁率は、複雑なテンソルとして記述されることができる。
【数２６】
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【００８２】
これは、ω0での共振を示す。この磁気回転共振効果は、１００００と同じくらいに高い超高Ｑ係数を持つ共振器を形成することができる。
【００８３】
これらのジャイロ磁性材料に似ている特性は、ＭＥＭＳを使用して形成されたマグネットメカニカル（磁気角運動量）システムで再生されることができる。これらのシステムは、より低い周波数で磁気回転の高Ｑ共振効果を模倣するポテンシャルを持つとしてもよい。異なる２つのタイプのＭＥＭＳデバイスは使用されることができる：コンパスタイプＭＥＭＳおよびねじりタイプＭＥＭＳ。コンパスタイプＭＥＭＳは、静磁界Ｈ0の適用により飽和されるマイクロマグネットで形成されているメディアを使用する。システムは、磁化によって定義された特性周波数において共振を示し、マイクロマグネットの慣性モーメントである。
【００８４】
同様に、ねじりタイプＭＥＭＳは、ねじりビームにそって移動することができるマイクロマグネットで形成されている。システムは、ばね定数にも磁化および慣性モーメントにも基づいた強磁性共振を示す。
【００８５】
図１７は、ねじりタイプマグネットメカニカルシステムの基本原理を示す。送電のコンテキストでは、これらのｍｅｍｓデバイスは、磁束を増幅するフェライト、高Ｑ共鳴器、および／または、送信機によって遠隔に運転されるダイナモとして動作してもよい。ダイナモ受信機は、遠隔地で、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換し、運動エネルギーを電気エネルギーに戻すかもしれない。
【００８６】
図面が棒形のメカノマグネット発振器を示している一方で、実施形態では円盤状またはそれらの可動性を改善するために形作られた球体を使用してもよい。
【００８７】
磁気エネルギーを電気エネルギーに転換する別の可能な方法は、磁歪と圧電気が結合され、これは逆の電気歪みと見なすことができる。電気歪みは、材料が磁界にさらされる場合のマテリアルシェイプの変化である。このシェイプ変化は、材料内のワイスドメインの範囲が移動する場合またはドメインが外部場を通って回転する場合に、生じる場合がある。コバルトおよびTerfenol-Dは、非常に高い磁気歪みを持つ。負荷および印加磁界の強度の関係は非線形である。
【００８８】
数センチメートルの長さの磁気歪み材料のリボンは、例えば約１００ｋＨｚのような低周波の範囲でｐｉｅｚｏ結晶およびクオーツに似ている共振を示す。この効果は、また、ＲＦＩＤコイルによって検知することができる共振を引き起こすために、パッシブＲＦＩＤシステムに使用される。図１８は、低磁界からの電力を生成するために磁歪と圧電材料を使用することを示す。
【００８９】
いくつかの実施形態だけを上記で詳細に開示したが、他の実施形態が可能であり、発明者は、これらが本明細書に包含されることを意図している。本明細書は、別の方法で達成してもよい、より一般的な目標を達成するために、特定の例を記述している。本開示は、例示的であるように向けられており、特許請求の範囲は、当業者に予測可能であるかもしれない、任意の修正または代替をカバーするように向けられている。例えば、他のサイズや、材料や、接続を使用できる。アンテナの結合部分は、ワイヤの単一のループとして示されているが、この結合部分は、複数のワイヤループを有することができることを理解すべきである。他の実施形態は、本実施形態の同様な原理を使用してもよく、同様に、主として静電界結合および／または電気力学界結合に適用できる。一般に、主な結合メカニズムとして、磁界の代わりに電界を使用できる。ＭＥＭＳが実施形態に記載されているが、より一般的には、小特徴を作成できるどのような構造であっても使用することができるかもしれない。
【００９０】
ここに示された実施例のうちのどれでも他の実施例で使用可能である。例えば、図１２Ａ−１２Ｃのアンテナフォーメーション実施形態は、磁束拡大実施形態と共に使用されることができる。
【００９１】
また、語“手段”を使用する請求項だけが、合衆国法典第３５部１１２条第６項のもとで解釈すべきであるように向けられていることを、発明者は意図している。さらに、それらの限定が請求項中に明白に含まれていない限り、本明細書からのいかなる限定も、請求項に読み込むように向けられていない。
【００９２】
特定の数値がここで述べられている場合、いくつかの異なる範囲が特に述べられていない限り、本出願の教示内にとどまりながら、値を２０％だけ増加または減少させてもよいことを考慮すべきである。特定の論理的な意-味が使用される場合、反対の論理的な意味もまた、包含されるように向けられている。
【図１】
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【図２Ａ】
2010539857.tif 000030
【図２Ｂ】
2010539857.tif 000031
【図３】
2010539857.tif 000032
【図４Ａ】
2010539857.tif 000033
【図４Ｂ】
2010539857.tif 000034
【図４Ｃ】
2010539857.tif 000035
【図５Ａ】
2010539857.tif 000036
【図５Ｂ】
2010539857.tif 000037
【図５Ｃ】
2010539857.tif 000038
【図６】
2010539857.tif 000039
【図７Ａ】
2010539857.tif 000040
【図７Ｂ】
2010539857.tif 000041
【図８】
2010539857.tif 000042
【図９】
2010539857.tif 000043
【図１０Ａ】
2010539857.tif 000044
【図１０Ｂ】
2010539857.tif 000045
【図１１Ａ】
2010539857.tif 000046
【図１１Ｂ】
2010539857.tif 000047
【図１１Ｃ】
2010539857.tif 000048
【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
2010539857.tif 000050
【図１２Ｂ】
2010539857.tif 000051
【図１２Ｃ】
2010539857.tif 000052
【図１３Ａ】
2010539857.tif 000053
【図１３Ｂ】
2010539857.tif 000054
【図１４】
2010539857.tif 000055
【図１５】
2010539857.tif 000056
【図１６】
2010539857.tif 000057
【図１７】
2010539857.tif 000058
【図１８】
2010539857.tif 000059
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月22日(2010.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【図１】図１は、ワイヤレス電力システムの基本ブロック図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、非放射ワイヤレス伝送の距離制限を示すブロック図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、非放射ワイヤレス伝送の距離制限を示すブロック図を示す。
【図３】図３は、共振コイルアンテナを使用するワイヤレス伝送を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、ロス部分を示す共振周波数における等価回路を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ロス部分を示す共振周波数における等価回路を示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、相互インダクタンスの等価回路を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、異なるソレノイドジオメトリー（図形的配列）を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、異なるソレノイドジオメトリーを示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、異なるソレノイドジオメトリーを示す。
【図６】図６は、矩形共振ループを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、キュート係数動作を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、キュート係数動作を示す。
【図８】図８は、結合ループを示す。
【図９】図９は、電力伝送対距離のグラフを示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、高共振器における損失のある環境の影響を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、高共振器における損失のある環境の影響を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、キャパシタンス比共振回路に対する高インダクタンスとキャパシタンス比共振回路に対する低インダクタンスとの間の差を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、ポータブルデバイスへのワイヤレス電力の組み込みを示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、ポータブルデバイスへのワイヤレス電力の組み込みを示す。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、ポータブルデバイスへのワイヤレス電力の組み込みを示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、このようなデバイスのパッケージへアンテナを組み込むことができる異なる方法を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、このようなデバイスのパッケージへアンテナを組み込むことができる異なる方法を示す。
【図１４】図１４は、フェライトロッド内の磁界とダイポールモーメントを示す。
【図１５】図１５は、フェライトロッドの磁束集中効果を図示する。
【図１６】図１６は、フェライトアンテナのジャイロ磁気効果をどのように活用するかを示す。
【図１７】図１７は、ねじりタイプマグネットメカニカルシステムの基本原理を図示する。
【図１８】図１８は、低磁界からの電力を発生させるために、磁気制限および圧電デバイスをどのように使用するかを図示する。
【国際調査報告】
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