JP2011205881A - System configured to exchange energy wirelessly, method of transmitting electromagnetic energy wirelessly via coupling of evanescent wave, and system configured to exchange electromagnetic energy wirelessly - Google Patents

System configured to exchange energy wirelessly, method of transmitting electromagnetic energy wirelessly via coupling of evanescent wave, and system configured to exchange electromagnetic energy wirelessly Download PDF

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Bingnan Wang
ビンナン・ワン
Koon Hoo Teo
クーン・フー・テオ
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system configured to exchange energy wirelessly.SOLUTION: The system includes a structure configured to exchange energy wirelessly via coupling of evanescent waves, wherein the structure is electromagnetic (EM) and non-radiative and includes a structure that generates an EM near-field in response to reception of energy and a metamaterial arranged within the EM near-field in such a manner that the coupling is enhanced.

Description

本発明は、エネルギーを伝達することに関し、より詳細には、エネルギーを無線で伝達することに関する。   The present invention relates to transferring energy, and more particularly to transferring energy wirelessly.

本出願は、2009年12月3日付けでクーン・フー・テオ(Koon Hoo Teo)他によって出願された、出願番号12/630,498「負屈折率材料を用いた無線エネルギー伝達(Wireless Energy Transfer with Negative Index Material)」の一部継続出願であり、この特許出願からの優先権を主張し、この特許出願は、参照により本明細書に援用される。   This application was filed on December 3, 2009 by Koon Hoo Teo et al., Application number 12 / 630,498 “Wireless Energy Transfer Using Negative Refractive Index Material. with Negative Index Material) and claims priority from this patent application, which is hereby incorporated by reference.

無線エネルギー伝達
誘導結合は、コードレス電子歯ブラシ又はハイブリッド車両バッテリの充電のような、多くの無線エネルギー伝達用途において使用されている。変圧器のような結合インダクタにおいて、ソース、たとえば一次コイルが、電磁場としてエネルギーを生成し、シンク、たとえば2次コイルが、このシンクを通過するエネルギーが最適化される、たとえばソースのエネルギーと可能な限り類似するようにその電磁場の範囲を定める(subtend)。エネルギーを最適化するために、ソースとシンクとの間の距離は、可能な限り小さくなるべきである。これは、距離が長くなると誘導法が非常に効果のないものとなるためである。
Wireless energy transfer Inductive coupling is used in many wireless energy transfer applications, such as charging cordless electronic toothbrushes or hybrid vehicle batteries. In a coupled inductor, such as a transformer, the source, e.g. the primary coil, generates energy as an electromagnetic field, and the sink, e.g. The field is subtended to be as similar as possible. In order to optimize energy, the distance between the source and the sink should be as small as possible. This is because the guidance method becomes very ineffective as the distance increases.

共振結合システム
共振結合において、2つの共振電磁物体、すなわちソース及びシンクが、共振状態の下で互いに相互作用する。共振結合は、中距離、たとえば共振周波数波長の数分の1にわたってソースからシンクにエネルギーを伝達する。
Resonant coupling system In resonant coupling, two resonant electromagnetic objects, a source and a sink, interact with each other under resonant conditions. Resonant coupling transfers energy from the source to the sink over a medium distance, eg, a fraction of the resonant frequency wavelength.

図12は、共振ソース110から共振シンク120へエネルギーを伝達するための従来の共振結合システム100を示している。システム100の動作の一般原理は、誘導結合と類似している。ドライバ140がエネルギーを共振ソースに入力して、振動電磁場115を形成する。励起された電磁場は、ドライバにおける励起信号周波数、又は共振システムのためのソース及びシンクの自己共振周波数に対して或るレートで減衰する。しかしながら、共振シンクが、各サイクル中に失ったエネルギーよりも多くのエネルギーを吸収する場合、エネルギーのほとんどがシンクに伝達される。同じ共振周波数で共振ソース及び共振シンクを動作させることによって、共振シンクがその周波数において低インピーダンスを有すると共に、エネルギーが最適に吸収されることが保証される。共振結合システムの例が、参照によって本明細書に援用される、米国特許出願公開第2008/0278264号及び同第2007/0222542号に開示されている。   FIG. 12 shows a conventional resonant coupling system 100 for transferring energy from a resonant source 110 to a resonant sink 120. The general principle of operation of system 100 is similar to inductive coupling. A driver 140 inputs energy into the resonant source to form an oscillating electromagnetic field 115. The excited electromagnetic field decays at a rate relative to the excitation signal frequency at the driver, or the source and sink self-resonant frequencies for the resonant system. However, if the resonant sink absorbs more energy than it lost during each cycle, most of the energy is transferred to the sink. Operating the resonant source and resonant sink at the same resonant frequency ensures that the resonant sink has a low impedance at that frequency and that energy is optimally absorbed. Examples of resonant coupling systems are disclosed in US Patent Application Publication Nos. 2008/0278264 and 2007/0222542, which are incorporated herein by reference.

エネルギーは、複数の共振物体間、たとえばサイズL1を有する共振ソースと、サイズL2を有する共振シンクとの間で、距離Dにわたって伝達される。ドライバは、電力供給器をソースに接続し、共振シンクは、電力消費装置、たとえば抵抗負荷150に接続される。エネルギーは、ドライバによって共振ソースに供給され、共振ソースから共振シンクに無線でかつ非放射で伝達され、負荷によって消費される。無線非放射エネルギー伝達は、場115、たとえば共振システムの電磁場又は音場を使用して実行される。本明細書を簡略化するために、場115は、電磁場である。共振物体の結合中、エバネッセント波130は、共振ソースと共振シンクとの間で伝播される。   Energy is transferred over a distance D between a plurality of resonant objects, eg, a resonant source having size L1 and a resonant sink having size L2. The driver connects the power supply to the source, and the resonant sink is connected to a power consuming device, such as a resistive load 150. Energy is supplied to the resonant source by the driver, transmitted wirelessly and non-radiatively from the resonant source to the resonant sink, and consumed by the load. Wireless non-radiative energy transfer is performed using a field 115, such as an electromagnetic or sound field of a resonant system. For simplicity of this specification, the field 115 is an electromagnetic field. During coupling of the resonant object, the evanescent wave 130 is propagated between the resonant source and the resonant sink.

結合強化
結合モード理論によれば、結合強度は、結合係数kによって表される。結合強化は、結合係数kの絶対値の増加によって表される。結合モード理論に基づいて、共振結合システムの共振周波数は、複数の周波数に分割される。たとえば、2つの物体の共振結合システムにおいて、結合効果に起因して、偶モード周波数及び奇モード周波数と呼ばれる2つの共振周波数が観測され得る。2つの全く同じ共振構造体によって形成される2つの物体の共振システムの結合係数は、次式(1)に従って、偶モード及び奇モードを分割することによって計算される。
Bond Strength According to the bond mode theory, the bond strength is represented by the coupling coefficient k. Coupling enhancement is represented by an increase in the absolute value of the coupling coefficient k. Based on coupled mode theory, the resonant frequency of the resonant coupled system is divided into multiple frequencies. For example, in a resonant coupling system of two objects, two resonant frequencies, called even mode frequency and odd mode frequency, can be observed due to coupling effects. The coupling coefficient of the resonant system of two objects formed by two identical resonant structures is calculated by dividing the even and odd modes according to the following equation (1).

κ=π|feven−fodd| (1) κ = π | f even −f odd | (1)

米国特許出願公開第2008/0278264号明細書US Patent Application Publication No. 2008/0278264 米国特許出願公開第2007/0222542号明細書US Patent Application Publication No. 2007/0222542

結合を強化することが課題である。たとえば、結合を最適化するために、高い品質係数を有する共振物体が選択される。   The challenge is to strengthen the bond. For example, a resonant object with a high quality factor is selected to optimize the coupling.

したがって、ソースとシンクとの間の無線エネルギー伝達を最適化することが望まれている。   Therefore, it is desirable to optimize wireless energy transfer between the source and sink.

本発明の実施の形態は、ソースとシンクとの間のエバネッセント波結合の経路に沿って1つ又は複数のメタマテリアルを配置することによって、エバネッセント波結合が強化されるという認識に基づいている。   Embodiments of the present invention are based on the realization that evanescent wave coupling is enhanced by placing one or more metamaterials along the path of the evanescent wave coupling between the source and the sink.

本発明の実施の形態は、エネルギーを無線で交換するように構成されるシステムを開示する。このシステムは、エバネッセント波の結合を介してエネルギーを無線で交換するように構成される構造体であって、この構造体は、電磁的(EM:electromagnetic)であると共に非放射であり、この構造体は、エネルギーの受信に応答してEM近接場を生成する、構造体と、結合が強化されるようにEM近接場内に配置されるメタマテリアルとを備える。   Embodiments of the present invention disclose a system configured to exchange energy wirelessly. The system is a structure that is configured to exchange energy wirelessly via coupling of evanescent waves, the structure being electromagnetic (EM) and non-radiating. The body comprises a structure that generates an EM near field in response to receiving energy, and a metamaterial disposed within the EM near field such that coupling is enhanced.

別の実施の形態は、エバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法であって、結合が強化されるように、メタマテリアルを使用してエバネッセント波の振幅を増大させるステップと、共振周波数ω1、固有損失率Γ1、及び第1のQ値Q1=ω1/(2Γ1)を有する第1のモードを有する第1の共振器構造体を提供するステップであって、この第1の共振器構造体は、電磁的であり、Q1>100を有するように設計される、第1の共振器構造体を提供するステップと、第1の共振器構造体から遠位に位置決めされ、この第1の共振器構造体に電気的に配線されていない第2の共振器構造体を提供するステップであって、この第2の共振器構造体は、共振周波数ω2、固有損失率Γ2、及び第2のQ値Q2=ω2/(2Γ2)を有する第2のモードを有し、この第2の共振器構造体は、電磁的であり、Q2>100を有するように設計される、第2の共振器構造体を提供するステップと、メタマテリアルを第1の共振器構造体と第2の共振器構造体との間に配置するステップと、第1の共振器構造体からメタマテリアルを通じて第2の共振器構造体に、距離Dにわたって電磁エネルギーを伝達するステップであって、距離Dは、共振周波数ω1及びω2にそれぞれ対応する共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さい、伝達するステップとを含む方法を開示する。   Another embodiment is a method of wirelessly transmitting electromagnetic energy via evanescent wave coupling, using a metamaterial to increase the amplitude of the evanescent wave so that coupling is enhanced; Providing a first resonator structure having a first mode having a resonant frequency ω1, an intrinsic loss factor Γ1, and a first Q value Q1 = ω1 / (2Γ1), the first resonance The resonator structure is electromagnetic and is designed to have Q1> 100, providing a first resonator structure, positioned distally from the first resonator structure; Providing a second resonator structure that is not electrically wired to the one resonator structure, the second resonator structure comprising a resonant frequency ω2, an intrinsic loss factor Γ2, and a second Q value of 2 Q2 = ω2 / (2Γ Providing a second resonator structure having a second mode having 2), the second resonator structure being electromagnetic and designed to have Q2> 100; , Disposing the metamaterial between the first resonator structure and the second resonator structure, and a distance D from the first resonator structure to the second resonator structure through the metamaterial. And transmitting the electromagnetic energy over a distance D smaller than each of the resonant wavelengths λ1 and λ2 corresponding to the resonant frequencies ω1 and ω2, respectively.

さらに別の実施の形態は、電磁エネルギーを無線で交換するように構成されるシステムであって、共振周波数ω1、固有損失率Γ1、及び第1のQ値Q1=ω1/(2Γ1)を有する第1のモードを有する第1の共振器構造体であって、この第1の共振器構造体は、電磁的であり、Q1>100を有するように設計される、第1の共振器構造体と、第1の共振器構造体から遠位に位置決めされ、この第1の共振器構造体に電気的に配線されていない第2の共振器構造体であって、この第2の共振器構造体は、共振周波数ω2、固有損失率Γ2、及び第2のQ値Q2=ω2/(2Γ2)を有する第2のモードを有し、この第2の共振器構造体は、電磁的であり、Q2>100を有するように設計される、第2の共振器構造体と、第1の共振器構造体と第2の共振器構造体との間に配置されるメタマテリアルであって、第1の共振器構造体は、このメタマテリアルを通じて第2の共振器構造体に、距離Dにわたって電磁エネルギーを伝達し、距離Dは、共振周波数ω1及びω2にそれぞれ対応する共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さい、メタマテリアルとを備えるシステムを開示する。   Yet another embodiment is a system configured to exchange electromagnetic energy wirelessly and has a resonance frequency ω1, an intrinsic loss factor Γ1, and a first Q value Q1 = ω1 / (2Γ1). A first resonator structure having one mode, the first resonator structure being electromagnetic and designed to have Q1> 100; and A second resonator structure positioned distally from the first resonator structure and not electrically wired to the first resonator structure, the second resonator structure Has a second mode having a resonant frequency ω2, an intrinsic loss factor Γ2, and a second Q value Q2 = ω2 / (2Γ2), the second resonator structure being electromagnetic, Q2 A second resonator structure, a first resonator structure, designed to have> 100 A metamaterial disposed between the second resonator structure and the first resonator structure transmits electromagnetic energy over a distance D to the second resonator structure through the metamaterial. Disclose a system comprising a metamaterial, wherein the distance D is smaller than each of the resonant wavelengths λ1 and λ2 corresponding to the resonant frequencies ω1 and ω2, respectively.

これにより、ソースとシンクとの間の無線エネルギー伝達を最適化することができる。   This can optimize wireless energy transfer between the source and sink.

エネルギーを無線で伝達又は受信するのに適したシステムの例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a system suitable for transmitting or receiving energy wirelessly. 本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows different embodiment of this invention. NIMを用いない場合のエバネッセント波結合を示す図である。It is a figure which shows the evanescent wave coupling | bonding when not using NIM. NIMを用いる場合のエバネッセント波結合を示す図である。It is a figure which shows the evanescent wave coupling | bonding in the case of using NIM. 本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows different embodiment of this invention. 本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows different embodiment of this invention. 本発明の異なる実施の形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows different embodiment of this invention. 動いている装置に無線でエネルギーを供給するためのシステムの一例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a system for wirelessly supplying energy to a moving device. 約8MHzで共振する容量装荷型ループ共振システム800におけるNIMの適用例を示す図である。It is a figure which shows the example of application of NIM in the capacity loading type | mold loop resonance system 800 resonating at about 8 MHz. エネルギー伝達の効率を、NIMを用いる場合の周波数及びNIMを用いない場合の周波数の関数として比較するグラフである。FIG. 6 is a graph comparing energy transfer efficiency as a function of frequency with and without NIM. FIG. エネルギー伝達の効率を、NIMを用いる場合の周波数及びNIMを用いない場合の周波数の関数として比較する表である。6 is a table comparing energy transfer efficiency as a function of frequency with and without NIM. エネルギーを無線で伝達又は受信するのに適したシステムの例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a system suitable for transmitting or receiving energy wirelessly. エネルギー伝達の効率を、メタマテリアルを用いる場合の周波数及びNIMを用いない場合の周波数の関数として比較するグラフである。FIG. 5 is a graph comparing energy transfer efficiency as a function of frequency with metamaterial and without NIM. FIG. 従来の共振結合システムのブロック図である。It is a block diagram of the conventional resonant coupling system.

本発明の実施の形態は、エネルギーが無線で伝達されている間、エバネッセント波の経路上の電磁(EM)近接場に配置されるメタマテリアル、たとえば、負屈折率材料(NIM:negative index material)及び/又は単一負性(SNG:signal−negative)メタマテリアルが、エバネッセント波の振幅を増大させ、このため、エネルギー伝達の効率を最適にするという認識に基づいている。   Embodiments of the present invention provide metamaterials, such as negative index material (NIM), placed in an electromagnetic (EM) near field on the path of an evanescent wave while energy is transmitted wirelessly. And / or is based on the recognition that a single-negative (SNG) metamaterial increases the amplitude of the evanescent wave and thus optimizes the efficiency of energy transfer.

図1は、本発明の実施の形態によるシステム200を示している。このシステムは、エネルギーを無線で交換する、たとえば送信又は受信するように構成され、電磁(EM)非放射構造体210を備える。この構造体210は、エネルギーがこの構造体によって受信されると電磁近接場220を生成すると共に、エバネッセント波の結合を介してエネルギーを無線で交換するように構成される寸法211、たとえば直径を有する。   FIG. 1 shows a system 200 according to an embodiment of the present invention. The system is configured to exchange energy wirelessly, eg, transmit or receive, and includes an electromagnetic (EM) non-radiating structure 210. The structure 210 has a dimension 211, eg, a diameter, configured to generate an electromagnetic near field 220 when energy is received by the structure and to exchange energy wirelessly via coupling of evanescent waves. .

エネルギーのほとんどは、反応性であり、送信機又は共振器内に閉じ込められ、このエネルギーのわずかな部分のみが遠距離場へ放射することができる(通常10パーセント未満)。   Most of the energy is reactive, confined within the transmitter or resonator, and only a small portion of this energy can radiate into the far field (usually less than 10 percent).

この実施の形態では、エネルギー260は、従来技術において既知のドライバ(図示せず)によって供給される。この実施の形態では、構造体210は、無線エネルギー伝達システムのソースとしての役割を果たす。代替的な実施の形態では、エネルギー260は、ソース(図示せず)から無線で供給される。その実施の形態では、構造体210は、無線エネルギー伝達システムのシンクとしての役割を果たす。   In this embodiment, energy 260 is supplied by a driver (not shown) known in the prior art. In this embodiment, structure 210 serves as the source of the wireless energy transfer system. In an alternative embodiment, energy 260 is supplied wirelessly from a source (not shown). In that embodiment, the structure 210 serves as a sink for the wireless energy transfer system.

システム200は、近接場220内に配置されるメタマテリアル230をさらに備える。メタマテリアルは、負誘電率及び/又は負透磁率特性を有する材料である。この材料に関して、いくつかの特異な現象、たとえばエバネッセント波増幅、表面プラズモンのような挙動、及び負の屈折が知られている。本発明の実施の形態は、メタマテリアルの特異な能力を理解及び利用してエバネッセント波を増幅したものである。これによって無線エネルギー伝達が最適化される。   The system 200 further comprises a metamaterial 230 disposed in the near field 220. A metamaterial is a material having negative dielectric constant and / or negative permeability characteristics. Several unusual phenomena are known for this material, such as evanescent wave amplification, surface plasmon-like behavior, and negative refraction. The embodiment of the present invention is an amplification of an evanescent wave by understanding and utilizing the unique ability of a metamaterial. This optimizes wireless energy transfer.

エネルギー260が構造体210によって受信されると、EM構造体の周りの実質的に全ての方向にRM近接場が生成される。近接場は、遠距離場と対称をなす。構造体が非放射であるため、エネルギーのほとんどが近接場内に閉じ込められ、エネルギーの10%未満の小さな部分のみが遠距離場に放射される。   When energy 260 is received by structure 210, an RM near field is generated in substantially all directions around the EM structure. The near field is symmetric with the far field. Because the structure is non-radiating, most of the energy is confined in the near field and only a small portion of less than 10% of the energy is emitted in the far field.

近接場内で、この近接場の形状及び寸法は、外部エネルギー260の周波数、及びEM構造体210の共振周波数に依拠する。EM構造体210の共振周波数は、部分的に、EM構造体、たとえば円形形状、螺旋形状、円筒形状によって、並びに導電率、比誘電率、及び比透磁率のようなEM構造体の材料のパラメーターによって決まる。この実施の形態では、放射に起因するエネルギーの損失を最小にするために、構造体のサイズは、システムの主波長の長さよりもはるかに小さく、たとえばこの長さよりも100倍小さい。   Within the near field, the shape and dimensions of this near field depend on the frequency of the external energy 260 and the resonant frequency of the EM structure 210. The resonant frequency of the EM structure 210 depends, in part, on the parameters of the EM structure, such as circular shape, spiral shape, cylindrical shape, and material of the EM structure such as conductivity, relative permittivity, and relative permeability. It depends on. In this embodiment, to minimize energy loss due to radiation, the size of the structure is much smaller than the length of the dominant wavelength of the system, for example 100 times smaller than this length.

通常、近接場の範囲270は、システムの主波長の長さの数分の1、たとえばこの長さの1/4又は1/10である。非共振システムでは、主波長は、外部エネルギー260の周波数、すなわち波長λ265によって決まる。共振システムでは、主波長は、EM構造体の共振周波数によって決まる。通常、主波長は、無線で交換されるエネルギーの周波数によって決まる。   Usually, the near-field range 270 is a fraction of the length of the dominant wavelength of the system, for example 1/4 or 1/10 of this length. In a non-resonant system, the dominant wavelength is determined by the frequency of the external energy 260, ie the wavelength λ265. In a resonant system, the dominant wavelength is determined by the resonant frequency of the EM structure. Usually, the dominant wavelength is determined by the frequency of energy exchanged wirelessly.

共振は、品質係数(Q値)、すなわち蓄積エネルギーと散逸エネルギーとの無次元の比によって特徴付けられる。システム200の目的は、エネルギーを無線で伝達又は受信することであるため、ドライバの周波数又は共振周波数は、たとえば近接場領域の寸法を増大するように選択される。いくつかの実施の形態では、エネルギー260の周波数及び/又は共振周波数は、MHzからGHzの域にある。他の実施の形態では、上述の周波数は、光領域にある。   Resonance is characterized by a quality factor (Q value), a dimensionless ratio between stored energy and dissipated energy. Since the purpose of the system 200 is to transmit or receive energy wirelessly, the frequency of the driver or resonant frequency is selected, for example, to increase the size of the near field region. In some embodiments, the frequency of energy 260 and / or the resonant frequency is in the MHz to GHz range. In other embodiments, the above-described frequencies are in the optical domain.

エバネッセント波
エバネッセント波は、この波が形成された境界からの距離と共に強度が指数関数的に減衰する近接場定常波である。エバネッセント波250は、構造体210と、波の動きに関して異なる特性を有する他の「媒体」、たとえば空気との間の境界において形成される。エバネッセント波は、外部エネルギーがEM構造体によって受信されるときに形成され、EM構造体210の表面からの近接場の波長の3分の1内において最も強力である。
Evanescent wave An evanescent wave is a near-field standing wave whose intensity decreases exponentially with the distance from the boundary where the wave is formed. The evanescent wave 250 is formed at the boundary between the structure 210 and another “medium” having different characteristics with respect to wave motion, such as air. The evanescent wave is formed when external energy is received by the EM structure and is most powerful within one third of the near-field wavelength from the surface of the EM structure 210.

以下で説明する実施の形態に加えて、システム200の多数の異なる構成が可能であることを理解されたい。たとえば、この実施の形態では、システム200は、エネルギーをソースから無線で受信するように構成されるシンクである。別の実施の形態では、システム200は、エネルギーをシンクに無線で送信するように構成されるソースである。さらに別の実施の形態では、システム200は、複数のシンクに同時にエネルギーを伝達するように構成されるソースである。   It should be understood that many different configurations of the system 200 are possible in addition to the embodiments described below. For example, in this embodiment, system 200 is a sink configured to receive energy wirelessly from a source. In another embodiment, system 200 is a source configured to transmit energy wirelessly to a sink. In yet another embodiment, the system 200 is a source configured to transfer energy to multiple sinks simultaneously.

いくつかの実施の形態では、システム200の動作中に、構造体210は、ソース又はシンクのいずれであるかに関わらず、エバネッセント波を放出するのと同時にエバネッセント波251を受信する。メタマテリアル230は、少なくとも1つのエバネッセント波250又は251の経路上に配置される。伝達されるエネルギー又は受信されるエネルギーの所望の方向が知られている場合、メタマテリアル、たとえばメタマテリアル230又はNIM231は、エネルギー交換の所望の方向に基づいて最適に配置される。   In some embodiments, during operation of the system 200, the structure 210 receives the evanescent wave 251 at the same time it emits the evanescent wave, whether it is a source or a sink. The metamaterial 230 is disposed on the path of at least one evanescent wave 250 or 251. If the desired direction of transmitted or received energy is known, the metamaterial, eg, metamaterial 230 or NIM 231 is optimally positioned based on the desired direction of energy exchange.

他の実施の形態では、複数のメタマテリアルがエバネッセント波の経路上に、この波の振幅を最大にするように最適に配置される。   In other embodiments, multiple metamaterials are optimally placed on the path of the evanescent wave to maximize the amplitude of this wave.

図2Aは、本発明の別の実施の形態によるシステム300を示している。システム300は、共振結合システムであり、ソース310の近接場内でエバネッセント波330の経路上に配置される少なくとも1つのメタマテリアル230を含む。エネルギー260は、ドライバ140によってシステム300に提供され、ソース310によってエバネッセント波330を介してシンク320に無線で送信され、負荷150によって消費される。この実施の形態では、負荷は、プロセッサを含む。   FIG. 2A illustrates a system 300 according to another embodiment of the present invention. System 300 is a resonant coupling system and includes at least one metamaterial 230 disposed on the path of evanescent wave 330 within the near field of source 310. The energy 260 is provided to the system 300 by the driver 140, transmitted wirelessly by the source 310 via the evanescent wave 330 to the sink 320 and consumed by the load 150. In this embodiment, the load includes a processor.

システム300の変形形態では、メタマテリアル230は、シンク320よりもソースの近くに配置される。別の変形形態では、メタマテリアル231は、ソースよりもシンクの近くに配置される。さらに別の変形形態では、複数のメタマテリアル230及び231がエバネッセント波330の経路上に配置され、それによって、エバネッセント波は、結合中、複数のメタマテリアル内の各メタマテリアルを通じて進む。通例、メタマテリアルは、無線エネルギー伝達の間、ソースとシンクとの間のエバネッセント波結合を最適にするように配置される。この実施の形態では、メタマテリアルは、このメタマテリアルと構造体との間の距離がこのメタマテリアルの寸法に比例するように配置される。典型的には、メタマテリアルの寸法が小さいほど、このメタマテリアルは、EM構造体の近くに配置される。   In a variation of system 300, metamaterial 230 is placed closer to the source than sink 320. In another variation, the metamaterial 231 is placed closer to the sink than to the source. In yet another variation, multiple metamaterials 230 and 231 are placed on the path of the evanescent wave 330 so that the evanescent wave travels through each metamaterial in the multiple metamaterials during combining. Typically, metamaterials are arranged to optimize the evanescent wave coupling between the source and sink during wireless energy transfer. In this embodiment, the metamaterial is positioned such that the distance between the metamaterial and the structure is proportional to the size of the metamaterial. Typically, the smaller the size of the metamaterial, the closer it is placed to the EM structure.

システム300の変形形態は、ジョアノプロス(Joannopoulos)他によって2006年7月5日に出願され、2010年2月3日に許可された、米国特許出願第2007/0222542号に記載されているシステムを改善したものである。この実施の形態の電磁エネルギー伝達システムは、共振周波数ω1、損失率Γ1、及び第1のQ値Q1=ω1/(2Γ1)を有する第1のモードを有する第1の共振器構造体310と、第1の共振器構造体から遠位に位置決めされ、第1の共振器構造体に電気的に配線されていない第2の共振器構造体320とを備える。第2の共振器構造体は、共振周波数ω2、固有損失率Γ2、及び第2のQ値Q2=ω2/(2Γ2)を有する第2のモードを有する。   A variation of system 300 improves upon the system described in US Patent Application No. 2007/0222542, filed July 5, 2006 and granted on February 3, 2010 by Joannopoulos et al. It is a thing. The electromagnetic energy transfer system of this embodiment includes a first resonator structure 310 having a first mode having a resonance frequency ω1, a loss rate Γ1, and a first Q value Q1 = ω1 / (2Γ1); A second resonator structure 320 positioned distally from the first resonator structure and not electrically wired to the first resonator structure. The second resonator structure has a second mode having a resonance frequency ω2, an intrinsic loss factor Γ2, and a second Q value Q2 = ω2 / (2Γ2).

第1の共振器構造体は、共振周波数ω1及びω2にそれぞれ対応する共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さい距離Dにわたって電磁エネルギーを第2の共振器構造体に伝達する。さらに、共振器構造体は、100よりも大きい第1のQ値及び第2のQ値の値、すなわちQ1>100及びQ2>100を有するように設計される。   The first resonator structure transmits electromagnetic energy to the second resonator structure over a distance D that is smaller than each of the resonance wavelengths λ1 and λ2 corresponding to the resonance frequencies ω1 and ω2, respectively. Furthermore, the resonator structure is designed to have a first Q value and a second Q value greater than 100, ie Q1> 100 and Q2> 100.

ジョアノプロスによって記載されているシステムに勝るこの実施の形態の主な改善点のうちの1つは、第1の共振器構造体が、メタマテリアルを通じて第2の共振器構造体に、距離Dにわたって電磁エネルギーを伝達するような、第1の共振器構造体と第2の共振器構造体との間のメタマテリアル230の配置である。ここで、距離Dは、共振周波数ω1及びω2にそれぞれ対応する共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さい。   One of the main improvements of this embodiment over the system described by Joanopros is that the first resonator structure is electromagnetically moved over a distance D from the metamaterial to the second resonator structure. An arrangement of the metamaterial 230 between the first resonator structure and the second resonator structure to transfer energy. Here, the distance D is smaller than the resonance wavelengths λ1 and λ2 corresponding to the resonance frequencies ω1 and ω2, respectively.

この実施の形態の異なる変形形態では、Q値の値は、200より大きいか、500より大きいか、又は1000より大きい。付加的に又は代替的に、2つの周波数ω1及びω2は、Γ1及びΓ2のより小さい方の範囲内に近接している。付加的に又は代替的に、メタマテリアルの異なる数、タイプ、及び/又は配置が使用される。   In different variants of this embodiment, the value of the Q value is greater than 200, greater than 500 or greater than 1000. Additionally or alternatively, the two frequencies ω1 and ω2 are close together in the smaller range of Γ1 and Γ2. Additionally or alternatively, different numbers, types, and / or arrangements of metamaterials are used.

エバネッセント波結合
エバネッセント波結合は、電磁波がエバネッセントの、指数関数的に減衰する電磁場によって1つの媒体から別の媒体に送信されるプロセスである。
Evanescent wave coupling Evanescent wave coupling is the process by which electromagnetic waves are transmitted from one medium to another by an evanescent, exponentially decaying electromagnetic field.

結合は、通常、2つ以上の電磁素子、すなわちソース及びシンクを、このソースによって生成されるエバネッセント波がシンクに到達する前にあまり減衰しないように、互いに或る距離Dで置くことによって達成される。シンクが適切な周波数のモードをサポートする場合、エバネッセント場によって波モードの伝播が生じ、それによって波が1つの導波路から次の導波路へつながる(すなわち結合される)。   Coupling is usually achieved by placing two or more electromagnetic elements, i.e. source and sink, at a distance D from each other so that the evanescent wave generated by this source does not attenuate much before reaching the sink. The If the sink supports a mode of the appropriate frequency, the evanescent field causes wave mode propagation, which leads (ie, couples) the wave from one waveguide to the next.

エバネッセント波結合は、電磁場理論における近接場結合と基本的に同一である。放射源素子のインピーダンスに依拠して、エバネッセント波は、主に電気(容量性)であるか又は主に磁気(誘導性)であるかのいずれかであり、これらの波の成分が最終的に自由空間のインピーダンスの比に達し、波が放射的に伝播する遠距離場とは異なる。エバネッセント波結合は、各媒体の近くの非放射場内で発生するため、部分的に反射する表面内の物質(matter)、すなわち誘導電流及び電荷と常に関連付けられる。   Evanescent wave coupling is basically the same as near field coupling in electromagnetic field theory. Depending on the impedance of the source elements, evanescent waves are either mainly electrical (capacitive) or predominantly magnetic (inductive), and the components of these waves eventually It is different from the far field where the ratio of impedance in free space is reached and the waves propagate radiatively. Since evanescent wave coupling occurs in a non-radiating field near each medium, it is always associated with a partially reflecting surface matter, ie induced current and charge.

図2Bは、NIMを用いない場合のエバネッセント波結合を示し、図2Cは、NIMを用いる場合のエバネッセント波結合を示している。エネルギーがソースに供給されると、近接場が生成される。放射損失及び誘電損失は、エネルギーの部分を消費するが、放射が強力でない場合、エネルギーのほとんどは、ソースに反射されて戻る。しかしながら、シンクがソースの十分近くに配置される場合、すなわちソースから距離D離れて配置される場合、エバネッセント波331及び/又は330は、ソースとシンクとの間で結合され、それによってエネルギーがソースからシンクに伝達される。図2Bに示すように、NIMを用いない場合、エネルギーは、ソース及びシンクのエバネッセント波の結合を通じて伝達される。   FIG. 2B shows evanescent wave coupling when NIM is not used, and FIG. 2C shows evanescent wave coupling when NIM is used. When energy is supplied to the source, a near field is generated. Radiation loss and dielectric loss consume a fraction of the energy, but if the radiation is not strong, most of the energy is reflected back to the source. However, if the sink is located close enough to the source, i.e., at a distance D from the source, the evanescent waves 331 and / or 330 are coupled between the source and the sink, thereby transferring energy to the source. To the sink. As shown in FIG. 2B, when NIM is not used, energy is transferred through a combination of source and sink evanescent waves.

しかしながら、ソース及びシンクの結合中、メタマテリアルがソース及び/又はシンクによって生成された近接場内に配置される場合、図2Cに示すように、エバネッセント波の振幅は、波がメタマテリアルを通じて進むときに増大される(370)。このため、エバネッセント波結合が強化されると共にエネルギーがより効率的に伝達され、かつ/又はソースとシンクとの間の距離Dが増大する。   However, if the metamaterial is placed in the near field generated by the source and / or sink during source and sink combination, the amplitude of the evanescent wave is as the wave travels through the metamaterial, as shown in FIG. 2C. Is increased (370). This enhances the evanescent wave coupling and more efficiently transfers energy and / or increases the distance D between the source and sink.

図3は、本発明の別の実施の形態によるシステム400を示している。システム400は、非共振システムである。非共振システムは、共振システムとは対照的に、ソース410及びシンク420が異なる共振周波数を有するように設計される。たとえば、システム400の変形形態では、ソース及びシンクの双方が異なる共振周波数を有する共振構造体である。別の変形形態では、シンク420は、非共振構造体、たとえば負荷450である。別の変形形態では、ソース410は、非共振構造体、たとえばドライバ440である。   FIG. 3 illustrates a system 400 according to another embodiment of the present invention. System 400 is a non-resonant system. Non-resonant systems are designed such that the source 410 and sink 420 have different resonant frequencies, as opposed to resonant systems. For example, in a variation of system 400, both the source and sink are resonant structures having different resonant frequencies. In another variation, the sink 420 is a non-resonant structure, such as a load 450. In another variation, source 410 is a non-resonant structure, such as driver 440.

図4は、本発明のさらに別の実施の形態によるシステム500を示している。この実施の形態では、EM構造体の材料自体がメタマテリアルを含む。たとえば、この実施の形態の変形形態では、ソース510は、メタマテリアルから作製される。他の変形形態では、シンク520並びに/又はシンク及びソースの双方がメタマテリアルから作製される。異なる変形形態では、ソース及びシンクは、同じメタマテリアル又は異なるメタマテリアルから作製される。この実施の形態のさらに別の変形形態では、EM構造体に含まれるメタマテリアルに加えて、第2のメタマテリアル231がエバネッセント波530の経路上に位置決めされる。   FIG. 4 shows a system 500 according to yet another embodiment of the present invention. In this embodiment, the material of the EM structure itself includes a metamaterial. For example, in a variation of this embodiment, the source 510 is made from a metamaterial. In other variations, sink 520 and / or both sink and source are made from metamaterial. In different variations, the source and sink are made from the same or different metamaterials. In yet another variation of this embodiment, a second metamaterial 231 is positioned on the path of the evanescent wave 530 in addition to the metamaterial included in the EM structure.

図5は、本発明のさらに別の実施の形態によるシステム600を示している。この実施の形態では、メタマテリアル640は、実質的にEM構造体610を取り囲む。たとえば、この実施の形態の変形形態では、ソース610は、円筒形状を有し、メタマテリアルは、直径がわずかに大きい同様の円筒形状を有する。他の変形形態では、シンク620並びに/又はシンク及びソースの双方がメタマテリアルに取り囲まれる。この実施の形態の別の変形形態では、メタマテリアル640に加えて、第2のメタマテリアル231がエバネッセント波630の経路上に位置決めされる。この実施の形態は、多方向のエネルギーが交換される用途、又は方向が事前に知られていない用途において特に有利である。   FIG. 5 shows a system 600 according to yet another embodiment of the present invention. In this embodiment, metamaterial 640 substantially surrounds EM structure 610. For example, in a variation of this embodiment, the source 610 has a cylindrical shape and the metamaterial has a similar cylindrical shape with a slightly larger diameter. In other variations, sink 620 and / or both sink and source are surrounded by metamaterial. In another variation of this embodiment, a second metamaterial 231 is positioned on the path of the evanescent wave 630 in addition to the metamaterial 640. This embodiment is particularly advantageous in applications where multi-directional energy is exchanged or where the direction is not known a priori.

図9の表は、異なる無線エネルギー伝達システムに関して計算される結合係数を示している。結合係数は、2つのEM構造体間の結合の強度の基準であり、これらのEM構造体間でエネルギー伝達が発生する率を定量化する。図5に基づいて、本発明の実施の形態によって結合係数が増大し、このためシステムの効率が増大することは、明らかである。たとえば、メタマテリアルの単一のブロックによって、1つのシステム内の結合係数が3.88e4から7.60e4に増大する。メタマテリアルの2つのブロックによって、結合係数が14.8e4にさらに増大する。   The table of FIG. 9 shows the coupling coefficients calculated for different wireless energy transfer systems. The coupling coefficient is a measure of the strength of coupling between two EM structures and quantifies the rate at which energy transfer occurs between these EM structures. Based on FIG. 5, it is clear that the embodiment of the present invention increases the coupling coefficient, which increases the efficiency of the system. For example, a single block of metamaterial increases the coupling coefficient in one system from 3.88e4 to 7.60e4. Two blocks of metamaterial further increase the coupling coefficient to 14.8e4.

本発明の実施の形態を、無線エネルギー伝達を必要とするさまざまな用途、システム、及び装置、たとえば自動車、移動通信機、ラップトップ、オーディオ/ビデオ装置において使用することができる。   Embodiments of the invention can be used in a variety of applications, systems and devices that require wireless energy transfer, such as automobiles, mobile communicators, laptops, audio / video devices.

図6は、エネルギーを、エレベーターカー及び電気車両のような移動装置にエネルギーを無線で供給するためのシステム700を示している。この実施の形態では、ケーブルを有しないエレベーターカー750、すなわち負荷が、導波路760からエネルギーを無線で受信するように構成されるアンテナ720、すなわちシンクに接続される。導波路は、昇降路に設置され、ドライバ710からエネルギーを受信する。ドライバは、電力網に接続され、エネルギーを導波路に、たとえば誘導的に供給することができる。導波路は、電磁エバネッセント波を生成するように構成される。たとえば、この実施の形態では、導波路は、導線を介して実装される。別の実施の形態では、導波路の一方の側は、エバネッセント波が導波路の表面を出ることを可能にする穿孔又はスロット780を有する。   FIG. 6 illustrates a system 700 for wirelessly supplying energy to mobile devices such as elevator cars and electric vehicles. In this embodiment, an elevator car 750 without a cable, i.e. a load, is connected to an antenna 720, i.e. a sink, configured to receive energy wirelessly from the waveguide 760. The waveguide is installed in the hoistway and receives energy from the driver 710. The driver is connected to the power grid and can supply energy to the waveguide, eg, inductively. The waveguide is configured to generate an electromagnetic evanescent wave. For example, in this embodiment, the waveguide is mounted via a conducting wire. In another embodiment, one side of the waveguide has perforations or slots 780 that allow evanescent waves to exit the surface of the waveguide.

メタマテリアル730は、シンクと導波路の間に配置され、たとえばアンテナ720に固定され、アンテナが移動されると、それに応じてメタマテリアルは移動される。メタマテリアルは、導波路のエネルギー伝達エリア765から放出されるエバネッセント波がメタマテリアルを通じてアンテナに到達するように位置決めされる。乗りかごが牽引機構760によって移動されると、それに従ってエネルギー伝達エリアが調整される。   The metamaterial 730 is disposed between the sink and the waveguide, and is fixed to the antenna 720, for example. When the antenna is moved, the metamaterial is moved accordingly. The metamaterial is positioned such that evanescent waves emitted from the energy transfer area 765 of the waveguide reach the antenna through the metamaterial. As the car is moved by the traction mechanism 760, the energy transfer area is adjusted accordingly.

アンテナ720及びメタマテリアル730は、システム200を形成する。エレベーター用乗りかご、電気自動車、及び携帯電話のような少なくとも1自由度を有する装置に接続される場合、システム200は、それらの装置が無線であるが効率的にエネルギーを受信することを可能にする。   Antenna 720 and metamaterial 730 form system 200. When connected to devices with at least one degree of freedom, such as elevator cars, electric vehicles, and mobile phones, the system 200 allows those devices to be wireless but efficiently receive energy. To do.

負屈折率材料(NIM)
本発明のいくつかの実施の形態は、メタマテリアルとしてNIMを使用する。NIMは、負誘電率特性ε及び負透磁率特性μを有する人工材料である。ソースとシンクとの間のエバネッセント波は、エネルギー伝達を最適化したNIMを通じて伝播する間、増幅される。
Negative refractive index material (NIM)
Some embodiments of the present invention use NIM as a metamaterial. NIM is an artificial material having a negative dielectric constant characteristic ε and a negative magnetic permeability characteristic μ. Evanescent waves between the source and sink are amplified while propagating through the NIM with optimized energy transfer.

いくつかの実施の形態では、システムにおいて使用されるNIMは、ε=−1、μ=−1の電磁特性を有する。エバネッセント波がNIMを通じて伝播するとき、NIMのインピーダンスは、自由空間インピーダンスと整合され、NIMと自由空間との界面において反射が発生せず(これは、電力送信には不可欠である)、エバネッセント波がNIMを通じて増幅される。   In some embodiments, the NIM used in the system has electromagnetic characteristics of ε = −1, μ = −1. When the evanescent wave propagates through the NIM, the impedance of the NIM is matched with the free space impedance, no reflection occurs at the interface between the NIM and the free space (this is essential for power transmission), and the evanescent wave is Amplified through NIM.

他の実施の形態では、NIMは、負値の誘電率特性ε及び負値の透磁率特性μを有するが、厳密に−1ではない。これらの実施の形態では、エネルギー及びEM場強度を蓄える間、NIMと、空気、ガス、又は真空のような他の媒体との間の界面に表面プラズモンが励起される。NIMは、通常、部分的に誘電損失、そして部分的に分散損失による材料損失を伴う。材料損失は、NIMを通じた伝播中、エバネッセント波増幅を減少させる。しかしながら、表面波は励起され、エネルギーは、NIMと他の媒体との界面において蓄えられる。この特性は、エバネッセント波伝播を延ばし、ソースとシンクとの間のエネルギー結合を最適化する。   In other embodiments, the NIM has a negative dielectric constant characteristic ε and a negative magnetic permeability characteristic μ, but not exactly −1. In these embodiments, surface plasmons are excited at the interface between the NIM and other media such as air, gas, or vacuum while storing energy and EM field strength. NIM typically involves material loss due in part to dielectric loss and in part to dispersion loss. Material loss reduces evanescent wave amplification during propagation through the NIM. However, surface waves are excited and energy is stored at the interface between NIM and other media. This property extends evanescent wave propagation and optimizes energy coupling between the source and sink.

NIMを設計する多数の異なる方法が存在する。たとえば、金属線構造体を有する分割リング共振器(SPR:split ring resonator)は、NIMの人工材料設計の一例である。SPR及び誘導性・容量性(LC(inductive−capacitive))共振器は、NIM設計の別の例である。本発明の実施の形態は、エバネッセント波強化の目的を満たす任意のタイプのNIMを使用する。この実施の形態では、システムは、共振システムであり、NIMは、システムの共振周波数において、−1に等しい屈折率を有する。   There are many different ways to design a NIM. For example, a split ring resonator (SPR) with a metal wire structure is an example of a NIM artificial material design. SPR and inductive-capacitive (LC) resonators are other examples of NIM designs. Embodiments of the present invention use any type of NIM that meets the objective of evanescent wave enhancement. In this embodiment, the system is a resonant system and the NIM has a refractive index equal to −1 at the resonant frequency of the system.

図7は、約8MHzで共振する容量装荷型ループ共振システム800におけるNIMの適用例を示している。容量装荷型ループ810は、システム800のソースとしての役割を果たす。容量装荷型ループは、30cmの半径815、及び2cmの銅線断面半径817、及び誘電率特性ε=10の138cm2の容量誘電ディスクエリア819を有する。エネルギーは、エバネッセント波の形式でLCループの近距離に閉じ込められる。   FIG. 7 shows an application example of NIM in a capacitively loaded loop resonant system 800 that resonates at about 8 MHz. The capacity loaded loop 810 serves as a source for the system 800. The capacitively loaded loop has a radius 815 of 30 cm, a copper wire cross-sectional radius 817 of 2 cm, and a capacitive dielectric disk area 819 of 138 cm 2 with a dielectric constant characteristic ε = 10. Energy is confined to the short distance of the LC loop in the form of evanescent waves.

50オームの負荷を有する金属ループ構造体820がシステムのドライバである。同様に、240オームの負荷を有する金属ループ830がシステムの負荷である。NIM840は、ソースの近接場において、ソースと負荷との間に配置される。ドライバ及び負荷の半径822は、20cmである。ドライバは、ソース824から20cmの距離に配置され、このソースと誘導結合される。   A metal loop structure 820 with a 50 ohm load is the driver for the system. Similarly, a metal loop 830 with a 240 ohm load is the system load. The NIM 840 is placed between the source and the load in the near field of the source. The driver and load radius 822 is 20 cm. The driver is placed at a distance of 20 cm from the source 824 and is inductively coupled with the source.

近接場におけるNIMの配置は、特にドライバ及び負荷におけるインピーダンスを変更して最大電力伝達効率を達成する必要がある場合、ドライバ及び負荷の設計に依拠する。   The placement of the NIM in the near field relies on the driver and load design, especially when the impedance in the driver and load needs to be changed to achieve maximum power transfer efficiency.

最大結合強化を得るために、エネルギー伝達フィールドに対するNIMの物理的な断面サイズ、厚さ、及び位置を、システムの要素、たとえばソース、シンク、ドライバ、及び負荷、並びにシステムが位置する環境の構成に従って最適化する必要がある。この実施の形態では、最適化は、コンピューターモデリングを通じて又は実験的に達成され、最大電力伝達を可能にする最良のインピーダンス整合が可能になる。   To obtain maximum coupling enhancement, the physical cross-sectional size, thickness, and position of the NIM relative to the energy transfer field is determined according to the configuration of the system elements, such as sources, sinks, drivers and loads, and the environment in which the system is located Need to optimize. In this embodiment, optimization is accomplished through computer modeling or experimentally, allowing for the best impedance matching that allows maximum power transfer.

図8は、エネルギー伝達の効率を、NIMを用いる場合の周波数及びNIMを用いない場合の周波数の関数として比較するグラフである。図示されるように、NIMを含むシステムの効率920は、NIMを用いない対応するシステムの効率910よりも3倍大きい。   FIG. 8 is a graph comparing energy transfer efficiency as a function of frequency with and without NIM. As shown, the efficiency 920 of a system that includes NIM is three times greater than the efficiency 910 of a corresponding system that does not use NIM.

厳密な電磁特性を有するNIM材料は、単一の周波数においてのみ発生する。これは、厳密な材料特性ε=−1、μ=−1が、f=8MHzのような1つの周波数においてのみ発生することを意味する。しかしながら、NIMは、共振周波数の約5〜10%の帯域幅において負電磁特性を示す。NIMが10MHzで動作するように設計されるシステムにでは、誘電率及び透磁率が負となる10MHzの周りで約0.5MHz〜1MHzの帯域幅が達成される。この帯域幅において、NIMの負のEM特性周波数範囲が共振成分の共振周波数点をカバーする場合、結合及び電力伝達効率を強化するために、無線電力伝達システムにおいてNIMが利用される。   NIM materials with strict electromagnetic properties occur only at a single frequency. This means that the strict material properties ε = −1, μ = −1 only occur at one frequency, such as f = 8 MHz. However, NIM exhibits negative electromagnetic characteristics in a bandwidth of about 5-10% of the resonance frequency. In systems where the NIM is designed to operate at 10 MHz, a bandwidth of about 0.5 MHz to 1 MHz is achieved around 10 MHz where the dielectric constant and permeability are negative. In this bandwidth, if the negative EM characteristic frequency range of the NIM covers the resonant frequency point of the resonant component, the NIM is utilized in the wireless power transfer system to enhance the coupling and power transfer efficiency.

単一負性(SNG)メタマテリアル
本発明の幾つかの実施の形態は、メタマテリアルとして単一負性(SNG)メタマテリアルを使用する。SNGメタマテリアルは、負誘電率のみを有する、すなわちε<0、μ>0であるか、又は負透磁率のみを有する、すなわちε>0、μ<0であるメタマテリアルである。より詳細には、ε<0、μ>0を有するメタマテリアルは、ε負性(ENG)メタマテリアルであり、ε>0、μ<0を有するメタマテリアルは、μ負性(MNG)メタマテリアルである。
Single Negative (SNG) Metamaterial Some embodiments of the present invention use a single negative (SNG) metamaterial as the metamaterial. An SNG metamaterial is a metamaterial that has only a negative dielectric constant, ie, ε <0, μ> 0, or has only a negative permeability, ie, ε> 0, μ <0. More specifically, a metamaterial having ε <0, μ> 0 is an ε negative (ENG) metamaterial, and a metamaterial having ε> 0, μ <0 is a μ negative (MNG) metamaterial. It is.

この実施の形態の変形形態では、システム200の寸法211は、波長265よりも小さく、それによって構造体のEM遠距離場放射は無視され、電場及び磁場は、互いに独立している。電場及び磁場が独立していることによって、近接場の電気ドミナント又は磁気ドミナントを別個に使用することが可能になる。電気ドミナントを有する近接場の場合、負誘電率εのみを有するメタマテリアルがエバネッセント波を強化するのに使用される。磁気ドミナントを有する近接場の場合、負透磁率μのみを有するメタマテリアルがエバネッセント波を強化するのに使用される。   In a variation of this embodiment, the dimension 211 of the system 200 is smaller than the wavelength 265, whereby the structure's EM far-field radiation is ignored and the electric and magnetic fields are independent of each other. The independence of the electric and magnetic fields allows the near field electric or magnetic dominant to be used separately. For near-fields with electrical dominance, metamaterials with only negative dielectric constant ε are used to enhance evanescent waves. In the case of a near field with a magnetic dominant, a metamaterial with only negative permeability μ is used to enhance the evanescent wave.

したがって、いくつかの実施の形態では、エバネッセント結合を強化するように構成されるSNG材料のタイプが、結合のタイプに基づいて選択される。たとえば、この実施の形態では、結合は、電気ドミナント結合であり、SNGメタマテリアルは、ENGメタマテリアルである。別の実施の形態では、結合は、磁気ドミナント結合であり、SNGメタマテリアルは、MNGメタマテリアルである。   Thus, in some embodiments, the type of SNG material that is configured to enhance the evanescent coupling is selected based on the type of coupling. For example, in this embodiment, the bond is an electrical dominant bond and the SNG metamaterial is an ENG metamaterial. In another embodiment, the bond is a magnetic dominant bond and the SNG metamaterial is an MNG metamaterial.

メタマテリアルは、分散性であり、材料損失を有する。これは、無線エネルギー伝達中のエバネッセント波の強化に影響を与える。NIMは、通常、共振構造体の2つのセットを含む。一方は、負誘電率(ε<0)を与えるためのものであり、他方は、負透磁率(μ<0)を与えるためのものである。構造体の2つのセットは、メタマテリアルの損失及び分散に寄与する。また、それらの構造体は、ε<0領域及びμ<0領域が互いに同時発生し、負の屈折率を与えるように設計される必要があるため、NIMの設計は、比較的複雑である。   Metamaterials are dispersible and have material loss. This affects the enhancement of evanescent waves during wireless energy transfer. A NIM typically includes two sets of resonant structures. One is for giving a negative dielectric constant (ε <0), and the other is for giving a negative permeability (μ <0). Two sets of structures contribute to metamaterial loss and dispersion. Also, the NIM design is relatively complex because these structures need to be designed such that the ε <0 and μ <0 regions occur simultaneously and give a negative refractive index.

SNGメタマテリアルの場合、ε<0特性又はμ<0特性を達成するために人工構造体の1つのセットしか必要とされない。SNGメタマテリアルには、NIMに勝る重要な利点が存在する。第1に、SNGメタマテリアルの設計は、より単純である。第2に、SNGメタマテリアルの製造プロセスは、より単純である。第3に、SNGメタマテリアルに関連付けられる損失は、典型的に、NIMに関連付けられる損失よりも小さい。通常、SNGメタマテリアルを用いた無線エネルギー伝達システムの性能は、NIMを用いたシステムの性能よりも良好である。   For SNG metamaterials, only one set of artificial structures is required to achieve ε <0 or μ <0 properties. SNG metamaterials have important advantages over NIM. First, the SNG metamaterial design is simpler. Second, the SNG metamaterial manufacturing process is simpler. Third, the loss associated with SNG metamaterial is typically less than the loss associated with NIM. Typically, the performance of a wireless energy transfer system using SNG metamaterial is better than the performance of a system using NIM.

図10は、本発明の実施の形態による無線エネルギー伝達システム1100の例を示している。ソース1110及びシンク1120は、銅線から作製された同一の自己共振コイルである。このコイルの半径は、30cmであり、銅線の半径は、5mmである。各コイルは、そのような銅線を5.25回巻いたものから構成され、20cmにわたって延びる。コイルの共振周波数は、約10MHzである。2つのコイル間の距離は、2mである。   FIG. 10 shows an example of a wireless energy transfer system 1100 according to an embodiment of the present invention. Source 1110 and sink 1120 are the same self-resonant coil made from copper wire. The radius of this coil is 30 cm, and the radius of the copper wire is 5 mm. Each coil is composed of 5.25 turns of such copper wire and extends over 20 cm. The resonance frequency of the coil is about 10 MHz. The distance between the two coils is 2 m.

半径が20cmに等しい2つの金属ループは、ドライバ1150及び負荷1160である。2つの小さな金属ループの位置は、インピーダンス整合及び無線エネルギー伝達効率を最適化するように調整される。システムにおいて、2つのメタマテリアルスラブ1130及び1140が性能を改善するために使用される。メタマテリアルは、半径40cm及び高さ4cmの円筒形状である。様々なシステムの最適化された伝達効率がソフトウェアによって計算され、比較される。   Two metal loops with a radius equal to 20 cm are a driver 1150 and a load 1160. The positions of the two small metal loops are adjusted to optimize impedance matching and wireless energy transfer efficiency. In the system, two metamaterial slabs 1130 and 1140 are used to improve performance. The metamaterial has a cylindrical shape with a radius of 40 cm and a height of 4 cm. The optimized transmission efficiency of various systems is calculated and compared by the software.

図11は、エネルギー伝達システムの効率を比較するグラフであり、すなわち、メタマテリアルを用いないシステムの場合の効率1210と、パラメーターε=−1+0.001i、μ=−1+0.001i(NIM)のメタマテリアルを用いるシステムの場合の効率1220と、パラメーターε=1、μ=−1+0.001i(MNGメタマテリアル)のメタマテリアルを用いるシステムの場合の効率1230とを比較する。   FIG. 11 is a graph comparing the efficiency of energy transfer systems, ie, the efficiency 1210 for a system without metamaterial and the meta of the parameters ε = −1 + 0.001i, μ = −1 + 0.001i (NIM). The efficiency 1220 in the case of the system using the material is compared with the efficiency 1230 in the case of the system using the metamaterial of the parameters ε = 1 and μ = −1 + 0.001i (MNG metamaterial).

グラフによって示されているように、メタマテリアルを用いないシステムは、約33%のピーク効率を有する。NIMを用いるシステムは、約40%のより高いピーク効率を有する。MNGメタマテリアルを用いるシステムのピーク効率は、約50%までさらに増大される。比較すると、NIM及びMNGメタマテリアルの双方がシステムの伝達効率を改善している。NIMは、誘電率及び透磁率の双方において損失を有するが、SNGメタマテリアルは、誘電率又は透磁率のみにおいて損失を有する。この利点を有するため、SNGメタマテリアルを用いる場合により高い効率が達成される。   As shown by the graph, the system without metamaterial has a peak efficiency of about 33%. A system using NIM has a higher peak efficiency of about 40%. The peak efficiency of the system using MNG metamaterial is further increased to about 50%. In comparison, both NIM and MNG metamaterials improve the transmission efficiency of the system. NIM has losses in both permittivity and permeability, whereas SNG metamaterials have losses only in permittivity or permeability. Because of this advantage, higher efficiencies are achieved when using SNG metamaterials.

本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。   Although the invention has been described by way of examples of preferred embodiments, it is to be understood that various other adaptations and modifications can be made within the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is the object of the appended claims to cover all modifications and variations that fall within the true spirit and scope of the invention.

Claims (20)

エネルギーを無線で交換するように構成されるシステムであって、
エバネッセント波の結合を介して前記エネルギーを無線で交換するように構成される構造体であって、前記構造体は、電磁的(EM)であると共に非放射であり、前記構造体は、前記エネルギーの受信に応答してEM近接場を生成する、構造体と、
前記エバネッセント波の振幅が増大されるように前記EM近接場内に配置されるメタマテリアルと、
を備えるエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。
A system configured to exchange energy wirelessly,
A structure configured to wirelessly exchange the energy via coupling of evanescent waves, the structure being electromagnetic (EM) and non-radiating, wherein the structure is the energy A structure that generates an EM near field in response to receiving
A metamaterial disposed in the EM near field such that the amplitude of the evanescent wave is increased;
A system configured to wirelessly exchange energy comprising.
前記構造体は、前記エネルギーをシンクに伝達するように構成されるソースであり、
前記システムは、
前記エネルギーを前記構造体に供給するように構成されるドライバをさらに備える、
請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。
The structure is a source configured to transmit the energy to a sink;
The system
A driver configured to supply the energy to the structure;
A system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1.
前記構造体は、前記エネルギーをソースから無線で受信するように構成されるシンクであり、
前記システムは、
前記エネルギーを前記構造体から受信するように構成される負荷をさらに備える、
請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。
The structure is a sink configured to receive the energy wirelessly from a source;
The system
Further comprising a load configured to receive the energy from the structure.
A system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1.
前記構造体の寸法は、前記エバネッセント波の波長よりも小さい、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1, wherein a dimension of the structure is smaller than a wavelength of the evanescent wave. 前記構造体は、共振構造体である、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1, wherein the structure is a resonant structure. 前記メタマテリアルは、前記エネルギー伝達の所望の方向に基づいて最適に配置される、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1, wherein the metamaterial is optimally positioned based on a desired direction of the energy transfer. 前記メタマテリアルは、たとえば前記構造体を取り囲むように配置される、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1, wherein the metamaterial is disposed, for example, to surround the structure. 前記エバネッセント波が、前記結合中、複数のメタマテリアルにおける各メタマテリアルを通じて進むように、前記複数のメタマテリアルが前記エバネッセント波の経路上に配置される、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The energy of claim 1, wherein the plurality of metamaterials are disposed on the path of the evanescent wave such that the evanescent wave travels through each metamaterial in the plurality of metamaterials during the combining. System configured to do. 前記メタマテリアルは、負誘電率特性及び正透磁率特性を有する、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1, wherein the metamaterial has negative dielectric constant characteristics and positive permeability characteristics. 前記メタマテリアルは、正誘電率特性及び負透磁率特性を有する、請求項1に記載のエネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The system configured to wirelessly exchange energy according to claim 1, wherein the metamaterial has a positive permittivity characteristic and a negative permeability characteristic. エバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法であって、
前記結合が強化されるように、メタマテリアルを使用して前記エバネッセント波の振幅を増大させるステップ
を含むエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
A method of wirelessly transmitting electromagnetic energy through coupling of evanescent waves,
Increasing the amplitude of the evanescent wave using a metamaterial so that the coupling is enhanced. A method of wirelessly transmitting electromagnetic energy via evanescent wave coupling.
共振周波数ω1、固有損失率Γ1、及び第1のQ値Q1=ω1/(2Γ1)を有する第1のモードを有する第1の共振器構造体を提供するステップであって、前記第1の共振器構造体は、電磁的であり、Q1>100を有するように設計される、第1の共振器構造体を提供するステップと、
前記第1の共振器構造体から遠位に位置決めされ、前記第1の共振器構造体に電気的に配線されていない第2の共振器構造体を提供するステップであって、前記第2の共振器構造体は、共振周波数ω2、固有損失率Γ2、及び第2のQ値Q2=ω2/(2Γ2)を有する第2のモードを有し、前記第2の共振器構造体は、電磁的であり、Q2>100を有するように設計される、第2の共振器構造体を提供するステップと、
前記メタマテリアルを前記第1の共振器構造体と前記第2の共振器構造体との間に配置するステップと、
前記第1の共振器構造体から前記メタマテリアルを通じて前記第2の共振器構造体に、距離Dにわたって前記電磁エネルギーを伝達するステップであって、前記距離Dは、共振周波数ω1及びω2にそれぞれ対応する共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さい、伝達するステップと、
をさらに含む、請求項11に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。
Providing a first resonator structure having a first mode having a resonance frequency ω1, an intrinsic loss factor Γ1, and a first Q value Q1 = ω1 / (2Γ1), Providing a first resonator structure that is electromagnetic and is designed to have Q1>100;
Providing a second resonator structure positioned distally from the first resonator structure and not electrically wired to the first resonator structure, the second resonator structure comprising: The resonator structure has a second mode having a resonance frequency ω2, an intrinsic loss factor Γ2, and a second Q value Q2 = ω2 / (2Γ2), and the second resonator structure is electromagnetic Providing a second resonator structure designed to have Q2>100;
Disposing the metamaterial between the first resonator structure and the second resonator structure;
Transmitting the electromagnetic energy over a distance D from the first resonator structure through the metamaterial to the second resonator structure, the distance D corresponding to resonance frequencies ω1 and ω2, respectively. Transmitting, smaller than each of the resonant wavelengths λ1 and λ2,
The method of wirelessly transmitting electromagnetic energy via coupling of evanescent waves according to claim 11 further comprising:
前記メタマテリアルは、正誘電率特性及び負透磁率特性を有する、請求項11に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。   The method for wirelessly transmitting electromagnetic energy through coupling of evanescent waves according to claim 11, wherein the metamaterial has positive dielectric constant characteristics and negative magnetic permeability characteristics. 前記メタマテリアルは、負誘電率特性及び正透磁率特性を有する、請求項11に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。   The method of wirelessly transmitting electromagnetic energy through coupling of evanescent waves according to claim 11, wherein the metamaterial has a negative dielectric constant characteristic and a positive magnetic permeability characteristic. 前記メタマテリアルは、負誘電率特性及び負透磁率特性を有する、請求項11に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。   The method of wirelessly transmitting electromagnetic energy through coupling of evanescent waves according to claim 11, wherein the metamaterial has a negative dielectric constant characteristic and a negative magnetic permeability characteristic. 前記構造体の寸法は、前記エバネッセント波の波長よりも小さい、請求項11に記載のエバネッセント波の結合を介して電磁エネルギーを無線で伝達する方法。   12. The method of wirelessly transmitting electromagnetic energy through coupling of evanescent waves according to claim 11, wherein the size of the structure is smaller than the wavelength of the evanescent waves. 電磁エネルギーを無線で交換するように構成されるシステムであって、
共振周波数ω1、固有損失率Γ1、及び第1のQ値Q1=ω1/(2Γ1)を有する第1のモードを有する第1の共振器構造体であって、前記第1の共振器構造体は、電磁的であり、Q1>100を有するように設計される、第1の共振器構造体と、
前記第1の共振器構造体から遠位に位置決めされ、前記第1の共振器構造体に電気的に配線されていない第2の共振器構造体であって、前記第2の共振器構造体は、共振周波数ω2、固有損失率Γ2、及び第2のQ値Q2=ω2/(2Γ2)を有する第2のモードを有し、前記第2の共振器構造体は、電磁的であり、Q2>100を有するように設計される、第2の共振器構造体と、
前記第1の共振器構造体と前記第2の共振器構造体との間に配置されるメタマテリアルであって、前記第1の共振器構造体は、前記メタマテリアルを通じて前記第2の共振器構造体に、距離Dにわたって前記電磁エネルギーを伝達し、距離Dは、共振周波数ω1及びω2にそれぞれ対応する共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さい、メタマテリアルと、
を備える電磁エネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。
A system configured to exchange electromagnetic energy wirelessly,
A first resonator structure having a first mode having a resonance frequency ω1, an intrinsic loss factor Γ1, and a first Q value Q1 = ω1 / (2Γ1), wherein the first resonator structure is A first resonator structure that is electromagnetic and designed to have Q1>100;
A second resonator structure positioned distally from the first resonator structure and not electrically wired to the first resonator structure, wherein the second resonator structure Has a second mode having a resonant frequency ω2, an intrinsic loss factor Γ2, and a second Q value Q2 = ω2 / (2Γ2), wherein the second resonator structure is electromagnetic, Q2 A second resonator structure designed to have>100;
A metamaterial disposed between the first resonator structure and the second resonator structure, wherein the first resonator structure passes through the metamaterial and the second resonator. Transmitting the electromagnetic energy to the structure over a distance D, wherein the distance D is smaller than each of the resonance wavelengths λ1 and λ2 corresponding to the resonance frequencies ω1 and ω2, respectively;
A system configured to exchange electromagnetic energy wirelessly.
前記第1の共振器構造体は、エバネッセント波の結合を介して前記電磁エネルギーを伝達し、前記構造体の寸法は、前記共振波長λ1及びλ2のそれぞれよりも小さく、前記メタマテリアルは、単一負性(SNG)メタマテリアルである、請求項17に記載の電磁エネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   The first resonator structure transmits the electromagnetic energy through evanescent wave coupling, the structure has a size smaller than each of the resonance wavelengths λ1 and λ2, and the metamaterial is a single The system configured to wirelessly exchange electromagnetic energy according to claim 17, which is a negative (SNG) metamaterial. 前記結合は、電気ドミナント結合であり、前記SNGメタマテリアルは、ε負性(ENG)メタマテリアルであり、εは、前記メタマテリアルの誘電率特性である、請求項18に記載の電磁エネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   19. The electromagnetic energy of claim 18, wherein the coupling is an electrical dominant coupling, the SNG metamaterial is an ε negative (ENG) metamaterial, and ε is a dielectric constant property of the metamaterial. A system configured to be exchanged with. 前記結合は、磁気ドミナント結合であり、前記SNGメタマテリアルは、μ負性(MNG)メタマテリアルであり、μは、前記メタマテリアルの透磁率特性である、請求項18に記載の電磁エネルギーを無線で交換するように構成されるシステム。   19. The electromagnetic energy of claim 18, wherein the coupling is a magnetic dominant coupling, the SNG metamaterial is a μ negative (MNG) metamaterial, and μ is a permeability characteristic of the metamaterial. A system configured to be exchanged with.
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