JP2012502602A5 - - Google Patents

Description

一部の好適例では、共振モードがいわゆる磁界共鳴であり、これについては、共振物体を包囲するエネルギーの大部分が磁界中に蓄積され、即ち、共振物体外にはごくわずかな電界しか存在しない。大部分の日常的材質（動物、植物及び人間を含む）は非磁性であり、それらと磁界との相互作用は最小限である。このことは、安全性にとって、及び無関係な環境物体との相互作用を低減するためにも、共に重要である。

なお、以上では、共振磁気結合をエネルギー伝達に用いるシステムの例として、特定実施例、即ち自己共振導線コイル及び容量負荷付き共振導線コイルの例を提示し解析しているが、その磁気エネルギーをその電気エネルギーよりずっと遠くに拡張する電磁的モードをサポートするあらゆるシステムを、磁気結合によってエネルギーを伝達するために用いることができる。例えば、所望する種類の磁界共鳴をサポートする分布容量及び分布インダクタンスを有する多数の抽象的な幾何学的形状が存在し得る。これらの幾何学的形状のいずれにおいても、特定パラメータを選定して

を増加または最適化することができ、あるいは、Ｑ値が外部要素によって制限される場合は、Ｑ_κを増加及び／または最適化することができる。

周波数シフトとは異なり、外部損失は改善することが困難であるので、エネルギー伝達方式にとって有害であり得る。従って、全損失速度Γ_1[e]＝Γ₁＋Γ_1-e（及び対応する性能指数

、ここにκ_[e]は摂動のある結合速度）を定量化すべきである。実施例では、主に磁界共鳴を用いて、共振に対する外部物体の影響がほとんど存在しない。その理由は、考慮している動作の準静的レジーム（ｒ≪λ）では、コイルを包囲する空気領域内の近接場は磁界が支配的である（これに対し電界の大部分はコイルの自己容量または外部負荷のコンデンサ中に局在する）ということであり、従って、この磁界と相互作用し、共振に対する摂動として作用し得る非金属の外部物体ｅは、大きな磁気特性（透磁率Re{μ}＞１または磁気損失Im{μ}＞０）を有する物体である。ほとんどすべての日常的材料が非磁性であるので自由面と同様に磁界に応答し、従って導線ループの共振を乱さない。

例えば、容量負荷付き導線コイルの共振系が、大部分の磁気エネルギーを、この共振系を包囲する空間内に蓄積している度合いを推定することができる。コンデンサからのフリンジ電界を無視すれば、コイルを包囲する空間内の電気及び磁気エネルギーの密度は、導線中の電流によって生成される電界及び磁界のみから生じる。なお、遠距離場では、これら２つのエネルギー密度は等しくなければならず、放射的な場については常にそうである。ｈ＝０なるサブ波長（ｒ≪λ）電流ループ（磁気双極子）によって生成される場についての結果を用いることによって、電気エネルギー密度対磁気エネルギー密度の比率を、ループの中心からの距離ｐ（ｒ≪ｐなる制限下で）及びループ軸に対する角度θの関数として、次式のように計算することができる：

ここで、２行目は、電気及び磁気エネルギー密度を半径ｐの球の表面全体にわたって積分することによる、すべての角度にわたる平均値の比率である。式(12)より、実際に、近接場（ｘ≪１）内では、すべての角度について磁気エネルギー密度が支配的であるのに対し、遠距離場（ｘ≫１）では、これらは等しく、またそうあるべきである。また、ループの好適な配置は、ループの共振を妨害し得る物体がループの軸の近くに存在する（θ＝０）ようにし、ここで電界は存在しない。例えば、表４に記載したシステムを用いれば、式(12)より、距離ｐ＝１０ｒ＝３ｍにあるｒ＝３０cmのループについては、平均電気エネルギー密度対平均磁気エネルギー密度の比率は〜１２％であり、ｐ＝３ｒ＝９０cmでは、この比率は〜１％であり、ｐ＝１０ｒ＝１mにあるｒ＝１０cmのループについては、この比率は〜３３％であり、ｐ＝３ｒ＝３０cmでは、この比率は〜２．５％である。より近い距離では、この比率はさらに小さく、従って、近接場ではエネルギーは大部分が磁気であるのに対し、遠距離場では、これらは必然的に同じオーダーになり（比率→１）、両者は非常に小さい、というのは、容量負荷付きコイル系は放射が非常に小さいように設計されているので、場が大きく減衰するからである。従って、この比率は、この共振系のクラスを磁界共鳴系とするための基準である。

主に磁界共鳴ではない共振を用いる実施例では、外部物体の影響が関心事となり得る。例えば誘電体円板については、小型、低屈折率、低い材料損失、または遠方の漂遊物体が、小さい散乱及び吸収を生じさせる。こうした小さい摂動の場合は、これらの外部損失メカニズムはそれぞれ、次の解析的な一次摂動理論式を用いて定量化することができ：

及び

ここに、

は、非摂動モードの総共振電磁エネルギーである。上式からわかるように、これらの損失は共に、外部物体の所の共振電界テール

の二乗に依存する。これとは対照的に、物体１から他の共振物体２への結合速度は、前述したように次式のようになり：

物体２の内部における物体１の場のテール

に線形依存する。こうしたスケーリングの差は、例えば指数関数的に小さい場のテールについては、少なくとも小さい摂動については、他の共振物体への結合（速度）がすべての外部損失速度よりずっと速い（κ≫Γ_1-e）はずであり、従って、こうした共振誘電体円板のクラスについては、本発明のエネルギー伝達方式は頑健であるものと想定される、という確信を与える。しかし、外部物体が、上記一次摂動理論の方法を用いて解析するには強過ぎる摂動を生じさせるあり得る特定状況も調べたい。例えば、誘電体円板ｃを、図９ａに示すように（人間ｈのような）大きなRe{ε}、Im{ε}かつ同じサイズであるが異なる形状の他の共振外物体、及び図９ｂに示すように（壁面ｗのような）大きく広がる粗くした表面であるが小さいRe{ε}、Im{ε}の他の共振外物体の近くに配置する。円板の中心と「人間の」中心または「壁面」との間の距離Ｄ_h/w／ｒ＝１０^-3についての、図９ａ及び９ｂに提示する数値的ＦＤＦＤシミュレーションの結果は、円板の共振が相当頑健であるように見えることを示唆する、というのは、円板の共振は、非常に近接した高損失の物体は例外として、外部物体の存在によって悪影響されないからである。エネルギー伝達システム全体に対する大きな摂動の影響を調べるために、「人間」及び「壁面」が共に近くに存在する状況下での２つの共振円板を考える。図７を図９ｃと比較すれば、数値的ＦＤＦＤシミュレーションは、システム性能がκ／Γ_c≒１〜５０からκ_[hw]／Γ_c[hw]≒０．５〜１０に、即ち許容可能な量だけ劣化することを示す。

Claims (26)

1. 第１の高Ｑ値共振構造と；
   第２の高Ｑ値共振構造と
   を具えた無線エネルギー伝達用の装置において、
   前記第１の高Ｑ値共振構造は、共振周波数ω₁及び固有損失速度Γ₁を有する第１モードを有し、前記第２の高Ｑ値共振構造との間で、電磁共鳴を利用して、エネルギーを無放射で距離Ｄ越しに伝達するように構成され、前記距離Ｄは、前記第１の高Ｑ値共振構造の特徴的サイズＬ₁より大きく、かつ前記第２の高Ｑ値共振構造の特徴的サイズＬ₂より大きく、
   前記第２の高Ｑ値共振構造は、共振周波数ω₂及び固有損失速度Γ₂を有する第２モードを有し、
   前記無放射のエネルギー伝達に、前記第１の高Ｑ値共振構造の共鳴場エバネセント・テールと前記第２の高Ｑ値共振構造の共鳴場エバネセント・テールとの結合が介在し、
   前記第１の高Ｑ値共振構造が、Ｑ ₁ ＝ω ₁ ／(２Γ ₁ )なるＱ値を有し、前記第２の高Ｑ値共振構造が、Ｑ ₂ ＝ω ₂ ／(２Γ ₂ )なるＱ値を有し、前記無放射の伝達が速度κを有し、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造が、
   

   

   であるように設計され、
   前記特徴的サイズＬ ₁ は、前記第１の高Ｑ値共振構造全体を包囲することのできる最小の球の半径に等しく、前記特徴的サイズＬ ₂ は、前記第２の高Ｑ値共振構造全体を包囲することのできる最小の球の半径に等しく、
   前記距離Ｄは、前記共振周波数ω ₁ に相当する波長λ ₁ ＝２πｃ／ω ₁ より小さく、かつ前記共振周波数ω ₂ に相当する波長λ ₂ ＝２πｃ／ω ₂ より小さく、ここにｃは光速であり、
   前記第２の高Ｑ値共振構造が、負荷に誘導結合されている
   ことを特徴とする無線エネルギー伝達装置。
2. Ｑ₁＞１００かつＱ₂＞１００であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記エネルギー伝達が、約１０％未満の放射損失η_radで動作し、かつ結合対損失比が
   

   

   であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記エネルギー伝達が、約１％未満の放射損失η_radで動作し、かつ結合対損失比が
   

   

   であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数を維持するためのフィードバック・メカニズムをさらに具え、
   前記フィードバック・メカニズムが、固定周波数を有する発振器、及び前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数を、およそ前記固定周波数に等しくなるように調整するように構成された周波数調整器を具えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数を維持するためのフィードバック・メカニズムをさらに具え、
   前記フィードバック・メカニズムが、前記無線エネルギー伝達の効率を監視するように構成された効率監視装置、及び前記効率を最大化するように、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数を調整するように構成された周波数調整器を具えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
7. 前記フィードバック・メカニズムが、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の周波数を測定する周波数監視装置をさらに具えていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記フィードバック・メカニズムが、前記高Ｑ値共振構造どうしの間の情報交換に基づいて、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の周波数を維持することを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
9. 前記フィードバック・メカニズムが、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち一方の周波数を監視して、この監視した周波数を他の前記共振構造に伝送することを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. さらに、クロックを具え、このクロックの周波数が、前記情報交換によって前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造に伝送され、前記フィードバック・メカニズムが、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造の周波数を前記クロックの周波数に同期させることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記エネルギーを無放射で伝達する場を、前記情報交換用に用いることを特徴とする請求項８に記載の装置。
12. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造の一方が、容量負荷付き導線コイルを具えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記容量負荷付き導線コイルの容量が可変であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記負荷が、前記第２の高Ｑ値共振構造に電気結合された電気装置または電子装置を含み、この電気装置または電子装置は、前記第２の高Ｑ値共振構造からエネルギーを受けることができることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記第１の高Ｑ値共振構造が電源に誘導結合されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 無線エネルギー伝達の方法において、
    第１の高Ｑ値共振構造と第２の高Ｑ値共振構造との間で、電磁共鳴を利用して、エネルギーを無放射で距離Ｄ越しに伝達するステップを具え、前記第１の高Ｑ値共振構造は、共振周波数ω₁及び固有損失速度Γ₁を有する第１モードを有し、前記第２の高Ｑ値共振構造は、共振周波数ω₂及び固有損失速度Γ₂を有する第２モードを有し、前記距離Ｄは、前記第１の高Ｑ値共振構造の特徴的サイズＬ₁より大きく、かつ前記第２の高Ｑ値共振構造の特徴的サイズＬ₂より大きく、
    前記無放射のエネルギー伝達に、前記第１の高Ｑ値共振構造の共鳴場エバネセント・テールと前記第２の高Ｑ値共振構造の共鳴場エバネセント・テールとの結合が介在し、
    前記第１の高Ｑ値共振構造が、Ｑ ₁ ＝ω ₁ ／(２Γ ₁ )なるＱ値を有し、前記第２の高Ｑ値共振構造が、Ｑ ₂ ＝ω ₂ ／(２Γ ₂ )なるＱ値を有し、前記無放射の伝達が速度κを有し、前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造が、
    

    

    であるように設計され、
    前記特徴的サイズＬ ₁ は、前記第１の高Ｑ値共振構造全体を包囲することのできる最小の球の半径に等しく、前記特徴的サイズＬ ₂ は、前記第２の高Ｑ値共振構造全体を包囲することのできる最小の球の半径に等しく、
    前記距離Ｄは、前記共振周波数ω ₁ に相当する波長λ ₁ ＝２πｃ／ω ₁ より小さく、かつ前記共振周波数ω ₂ に相当する波長λ ₂ ＝２πｃ／ω ₂ より小さく、ここにｃは光速であり、
    前記第２の高Ｑ値共振構造が、負荷に誘導結合されている
    ことを特徴とする無線エネルギー伝達方法。
17. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数をフィードバック・メカニズムによって維持するステップをさらに具え、
    前記フィードバック・メカニズムが、固定周波数を有する発振器、及び前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数を、およそ前記固定周波数に等しくなるように調整するように構成された周波数調整器を具えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数をフィードバック・メカニズムによって維持するステップをさらに具え、前記フィードバック・メカニズムが、
    前記エネルギー伝達の効率を監視する効率監視装置と；
    前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の共振周波数を、前記効率を最大化するように調整する周波数調整器と
    を具えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記フィードバック・メカニズムが、
    前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造のうち１つ以上の周波数を監視する周波数監視装置をさらに具えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. フィードバック・メカニズム内の周波数調整器を用いて、１つ以上の前記高Ｑ値共振構造の共振周波数を調整するか、１つ以上の前記高Ｑ値共振構造を共振周波数から離調させることによって、前記第２の高Ｑ値共振構造から負荷に伝送される電力を制御するステップをさらに具えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
21. Ｑ₁＞１００かつＱ₂＞１００であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
22. 前記エネルギー伝達が、約１０％未満の放射損失η_radで動作し、かつ結合対損失比が
    

    

    であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記エネルギー伝達が、約１％未満の放射損失η_radで動作し、かつ結合対損失比が
    

    

    であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
24. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造の各々が、容量負荷付き導線コイルであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
25. 前記第１の高Ｑ値共振構造及び前記第２の高Ｑ値共振構造の各々が、容量負荷付き導線コイルであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
26. 前記誘導結合された負荷と前記第２の高Ｑ値共振構造との間の距離を変化させて、前記無線エネルギー伝達におけるインピーダンス整合を改善するステップをさらに具えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。