JP2010539821A - ワイヤレス電力磁気共振器から生じた電力を最大にすること - Google Patents

Abstract

ワイヤレス電力受信のために用いられる磁気機械システム。小型の可動磁石は振動する磁界に設けられる。磁石の移動は、生成されるべき電力をもたらす。

Description

優先権の主張

本願は、２００７年９月１３日出願の米国特許仮出願第６０／９７２，１８１号に対する優先権を主張し、開示の全趣旨が参照によってここに組み込まれる。

電磁界を導くために線の使用なしに、ソースから目的地に電気的なエネルギーを伝達することは望ましいことである。前述の試みの問題点は、導かれる電力の不十分な量に加えて低効率なことであった。

２００８年１月２２日出願の「ワイヤレス装置および方法」と題された、米国特許出願第１２／０１８，０６９を含んでいるが、これに限定されない我々の以前の出願および仮出願は参照によってここに組み込まれ、その開示の全内容は電力のワイヤレス伝導を記述する。

システムは、特定の送信又は受信周波数で概ね共振する、好ましくは共振アンテナであるような送信および受信アンテナを用いることができる。共振アンテナは、例えば、共振の５％，１０％，１５％，又は２０％の範囲内で共振させる値を有する。アンテナは、アンテナのための利用可能な空間が制限されるかもしれないモバイルおよびハンドヘルドデバイスの中に取り付けることを可能にするために小さなサイズが好ましい。効率のよい電力伝達は、伝導電磁波の形をとって自由空間に電力を送るよりもむしろ送信アンテナのニアフィールドに電力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。高品質係数を伴うアンテナが用いられてもよい。２つの高いＱ値のアンテナは、一方のアンテナがもう一方のアンテナに電力を誘導し、ゆるく結合された変圧器と同様に反応するような場所に配置される。アンテナは、好ましくは１０００以上であるＱ値を有する。

本願は、電磁界カップリングによる電力ソースから電力目的地へのエネルギーの伝達を記述する。実施形態は、電力を受信するために磁気機械システムを用いる。実施形態は、磁気機械システムを形作るためにＭＥＭＳ又はマイクロ電気機械システムを用いるための技術を記述する。

これらおよびその他の態様は、添付図面を参照して詳細に記述されるであろう。
図１は、磁気波に基づくワイヤレス電力送信システムのブロック図を示す。 図２は、ＭＭＳ実施形態を例示する。 図３は、ＭＭＳ実施形態を用いるエネルギーのフローを例示する。 図４は、ブロック図を示す。 図５は、ＭＭＳデバイスのアレイを示す。

基本的な実施形態が図１に示される。電力送信機アセンブリ１００は、例えば、ＡＣプラグ１０２のようなソースから電力を受け取る。周波数ジェネレータ１０４は、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ように用いられる。アンテナ１１０は、高いＱ値の共振アンテナ部１１２に誘導的に結合される誘導回路１１１を含む。共振アンテナは、半径Ｒ_Ａを有しているＮ巻きのコイル回路１１３を含む。ここに可変コンデンサとして示されるコンデンサ１１４は、共振回路を形作るコイル１１３と直列である。本実施形態において、コンデンサは、コイルとは完全に別々の構成であるが、ある実施形態では、コイルを形作る線のキャパシタンス自身が、コンデンサ１１４を形作ってもよい。

周波数ジェネレータ１０４は、好ましくはアンテナ１１０に同調されてもよいし、ＦＣＣ規格のために選択されてもよい。

本実施形態は多指向性アンテナを用いる。１１５は、全指向性における出力としてのエネルギーを示す。アンテナの出力の多くが電磁的に放射するエネルギーではなくむしろ変化のない磁界であるという意味では、アンテナ１００は非放射である。勿論、アンテナからの出力の一部は、実際には放射するであろう。

別の実施形態は、放射性アンテナを用いてもよい。

受信機１５０は、送信アンテナ１１０から距離Ｄ離れて配置される受信アンテナ１５５を含む。受信アンテナは、誘導カップリング回路１５２に結合される、コイル部およびコンデンサを有している高いＱ値の共振コイルアンテナ１５１である。カップリング回路１５２の出力は、整流器１６０で整流され、負荷に適用される。負荷は、例えば、白熱電球のような抵抗負荷、又は電気機具，コンピュータ，再充電可能なバッテリ，音楽再生器，あるいは自動車のような電子デバイス負荷等、任意のタイプの負荷であってもよい。

磁界カップリングが実施形態として主にここに記述されるが、エネルギーは電界カップリング又は磁界カップリングのどちらか一方によって伝達されてもよい。

電界カップリングは、開コンデンサ又は誘導性ディスクであるような、誘導的に負荷をかけられた電気双極子を提供する。外来の物体は、電界カップリング上で比較的強い影響を提供するかもしれない。磁界における外来の物体が「空の」空間と同じ磁性を有するので、磁界カップリングが好まれるかもしれない。

本実施形態は、容量性の負荷をかけられた磁気双極子を用いる磁界カップリングを記述する。このような双極子は、共振状態のアンテナに電気的に負荷をかけるコンデンサと直列に接続する、少なくとも一つの回路又はコイル巻線を形作る線回路で形作られる。

実施形態は、マジェント機械システムから受信機を形作る。ある実施形態は、回転磁性特性を活かすためにマイクロ電気機械システム（MEMS）を用いる。実施形態は、これら磁気機械システムを形作るために用いられうる素材を用いる。

ＭＥＭＳは、例えば、半導体処理技術を用いてマイクロメータ又はより小さい大きさの機械構成を形作る任意の機械構成に言及するためにここに用いられる。実施形態によれば、ＭＥＭＳはスイッチ，誘導子，可変コンデンサ，リコンフィギュアラブルアンテナおよびアンテナ部等を形作るために用いられる。

実施形態は、例えば、より低い周波数で、ＹＩＧ素材の回転磁性の高いＱ値の共振効果を模倣する。これは、非放射性ワイヤレスエネルギー伝達のために用いられてもよい。

マイクロ磁気機械システムは、軸上で個々に回転可能な複数の微小永久磁石で形作られてもよい。複数の微小永久磁石が構成の媒体又はアレイであってもよい。

第１の実施形態は、コンパス型ＭＭＳデバイスを用いる。第２の実施形態は、トーション型ＭＭＳデバイスを用いる。

コンパス型ＭＭＳは、静磁界Ｈ_０を適用することによってバイアスをかけられる（飽和される）微小磁石で形作られた媒体を有する。システムは、磁性Ｍ_０と、微小磁石の慣性モーメントＩ_ｍと、Ｈ_０とによって定められる特有の周波数で強磁性共振を示す。

図２に示される実施形態は、トーショナルビームによって各々サポートされる、多数の微小磁石を備えるトーション型ＭＭＳを用いる。この実施形態は、静磁界要求を含まない。システムは、微小磁石の慣性モーメントＩ_ｍおよび磁性Ｍ_０、且つトーショナルビームのばね定数によって定められる特性周波数で強磁性共振を示すように同調されうる。

図２は、トーション型磁気機械システムの基本原理を示す。誘導コイル２００は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる。この誘導コイル２００は、外部交流磁界２０５の影響を受けている。適用される磁気双極子モーメントは、以下のモーメントをもたらす。

Ｔ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）×Ｂ（ｔ）
これは磁気振動する棒磁石にダイナモ原理を用いて周辺コイル２００に電圧を発生することをもたらす。渦巻きばね２１５はトーショナルビームを表わしてもよい。

電力送信との関連で、コンパス型又はトーション型ＭＥＭＳは以下のように考えられてもよい。

・好ましくは共振周波数でアンテナ線回路（コイル）を通じて交流磁束を拡大するフェライト。

・磁界を経由して送信機に結合される高いＱ値の共振器（誘導法則に基づいたＬ−Ｃ型共振器とは対照的に推力はローレンツ力である）。

・および／又は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する磁界を通じて送信機によって遠くに運ばれるダイナモ。

実施形態において、ビーム２１０は、例えば、平円盤の形をした又は球のような放射対称性である。

「ダイナモ」受信機を備えるワイヤレスエネルギー伝達システムは、図３のダイアグラムに従ってシステムを実行しうる。送信機３００は、電気エネルギー３０２を磁気エネルギー３０４に変換する。磁気エネルギー３０４は、ダイナモ受信機で受信され、運動エネルギー３０６に変換される。運動エネルギーは、電気エネルギーに変換され、受信機で用いられる。

図４は実施形態を示す。なお、送信回路４００は、４０５として一般的に示される磁界を創り出す。

ダイナモ受信機４１０は、磁界４０５の範囲内にとどまる。ダイナモ受信機は可動磁石４１５を含む。可動磁石は非共振強磁性システム，共振回転磁性，および／又は、例えば共振システムのような磁気機械システムを用いてもよい。実施形態によれば、当該磁石は１０μｍより大きい大きさを有さず、好ましくは５μｍ又は１μｍより小さい。

可動磁石の出力は拡大した磁束４２０を創り出す。磁束はΦ（ｔ）のように表わされてもよい。

このような可動における磁束を用いることに注目した一つの問題は、これら磁石における蓄積されたエネルギー／反応性電力の多い量である。

実施形態によれば、機械構成のアレイは図５に示されるように用いられる。アレイは、例えば、２次元アレイ又は１次元アレイ、あるいは環状アレイ等のいずれかの形であってもよい。実施形態において、全アレイは約２ｃｍ^３の空間の中に取り付ける。例えば、５００，５０１のような多数のマイクロ機械構成が、このアレイに配列される。

図５は、機械的に振動する磁石のアレイ５００，５０１および当該アレイに巻きつけられる単一のコイル５０５を示す。磁石の移動は、運動振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。システムは、各々の基本振動子の機械的なパラメータによって定められる共振を示す。ピックアップコイル５０５に付加された外部コンデンサ５１０は、このシステムのＬＣ定数を共振に維持するために用いられる。電力出力は、５２０で全ての磁石の全出力の合計として例示される。

上記はマイクロサイズの磁気機械システムのアレイを形作るためにＭＥＭＳを用いて記述した。しかしながら、その他の種類の小型磁石がこの目的のために代わりに用いられてもよい。

数個の実施形態が上に詳細に記述されたとはいえ、その他の実施形態も可能であり、発明者はこれらが本明細書中に包含されるべきであると意図する。本明細書は、別の方法で達成されるかもしれない、より一般的な目的を達成するために特定の例を記述する。本開示が典型的であると意図されるし、特許請求の範囲は当業者に予想されるかもしれない任意の変化又は代案を包含すると意図される。例えば、その他の大きさ，素材，および接続が用いられてもよい。アンテナのカップリング部は単一の線回路として示されるとはいえ、このカップリング部が多数の線回路を有してもよいことは理解されるべきである。その他の実施形態は、本実施形態と類似した原理を用い、主として静電気および／又は動電気界カップリングに同様に適用可能である。一般的に、第１のカップリング機構として、電界が磁界の代わりに用いられてもよい。

また、発明者は、「手段」という語句を用いるこれら特許請求の範囲のみが３５ＵＳＣ第１１２条第６段落の下で解釈されると意図する。更に、制限が特許請求の範囲に明確に含まれない限り、本明細書からの制限がほとんどないことは、いずれかの特許請求の範囲の中に示されると意図される。

特定の数値がここに挙げられる限りは、いくつかの異なる範囲が特に挙げられない限り、本願の教えの中にとどまる間、その値は２０％近く増加又は減少されてもよいとみなされるであろう。明細に記された論理的な意味が用いられる限りでは、逆の論理的な意味も包含されると意図される。

Claims (25)

1. 複数の電気コンポーネント、前記複数の磁気受信アンテナ、および電力出力部で形作られた受信機部を具備し、
   前記電気コンポーネントのうちの少なくとも一つは、
   １μｍ又はより小さい前記複数の電気コンポーネントを形作る機械的な特徴を創造する機械的な加工処理を用いて形作られる、ワイヤレス電力受信機デバイス。
2. 前記特徴は、
   誘導子を含む、請求項１記載の受信機。
3. 前記特徴は、
   コンデンサを含む、請求項１記載の受信機。
4. 前記特徴は、
   磁石を含む、請求項１記載の受信機。
5. 前記磁石は、
   交流磁界から影響を受けているムーブメントに対して取り付けられる、請求項４記載の受信機。
6. 前記複数のコンポーネントは、
   可動磁石のアレイを含む、請求項５記載の受信機。
7. 前記磁石のアレイ間で共有される単一のインダクタンスコイルを更に具備する、請求項６記載の受信機。
8. 前記磁石は、
   放射対称性である、請求項５記載の受信機。
9. 交流磁界を受信するための場所に設けられる可動磁石を含んでいる第１の部分と、
   前記可動磁石の移動がエネルギーを創り出す場所に位置する、前記可動磁石に近接する磁気部と、
   前記可動磁石によって創り出される電力のための出力ポートと、
   を具備するワイヤレス受信機。
10. コイルを更に具備し、
    前記コイルおよび前記可動磁石は、
    全体の大きさが１０μｍより各々小さい、請求項９記載の受信機。
11. 前記磁石は、
    ２ｃｍ^３より小さい、請求項９記載の受信機。
12. 前記出力が電力出力を創り出すために合計するように配列された複数の磁石がある、請求項９記載の受信機。
13. 前記複数の磁石は、
    ２ｃｍ^３又はより小さい空間を集合的に占める、請求項１２記載の受信機。
14. 前記複数の磁石は、
    ２次元アレイに配列される、請求項１０記載の受信機。
15. 前記可動磁石は、
    トーション部と、
    ばねと、
    を含み、
    前記可動磁石は磁界の影響下で移動し、
    可動磁石に近接して設けられ、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する少なくとも一つの誘導コイルを更に具備する、請求項９記載の受信機。
16. 前記磁石は、
    放射対称性である、請求項９記載の受信機。
17. 前記磁石の各々は、
    放射対称性である、請求項１２記載の受信機。
18. 交流磁界を受信するための場所に可動磁石のアレイを設けることと、
    エネルギーを創り出すために前記可動磁石の移動を用いることと、
    ポータブル電子デバイスの中の負荷に動力を供給するために前記可動磁石によって創り出される前記エネルギーを用いることと、
    を具備する、電力を受信する方法。
19. 前記可動磁石のアレイ間で共有される単一のコイルを更に具備する、請求項１８記載の方法。
20. 前記コイルおよび前記可動磁石は、
    全体の大きさが１０μｍより各々小さい、請求項１９記載の方法。
21. 前記磁石の各々は、
    ２ｃｍ^３より小さい、請求項１８記載の受信機。
22. 前記複数の磁石は、
    ２次元アレイに配列される、請求項１８記載の受信機。
23. 磁気ジェネレータから形作られる第１の部分と、
    多数のコンポーネントを有している高周波数生成システムと、
    を具備し、
    前記コンポーネントのうちの少なくとも一つは、
    １μｍ又はより小さい特徴を創り出す機械的な加工処理を用いて形作られる、ワイヤレス電力送信デバイス。
24. 前記特徴は、
    誘導子を含む、請求項２３記載のデバイス。
25. 前記特徴は、
    コンデンサを含む、請求項２３記載のデバイス。

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