JP2014522630A - 磁気共鳴電力システムの複数の磁気共鳴レシーバからの電力の合成 - Google Patents

Abstract

無線電力供給ローカルコンピューティング環境の種々の実施形態を説明する。コンピューティング環境において無線近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）電力伝送を利用するシステム及び方法。小さいフォームファクタの無線電力ユニットは、従来のバッテリを置換するために使用可能である。

Description

説明する実施形態は、一般に、ポータブルコンピューティング環境における無線電力伝送を利用することに関する。

エネルギー又は電力は、種々の既知の放射技術又は遠距離技術や、非放射技術又は近接場技術を使用して無線転送されてもよい。例えば、無線及びセルラ通信システム及びホームコンピュータネットワークで使用されるような低指向性アンテナを使用する放射無線情報転送は、無線エネルギー転送と考えられてもよい。しかし、この種の放射転送は、供給又は放射される電力の僅かな一部のみ、すなわちレシーバの方向のレシーバと重なる一部のみが受け取られるため、非常に非効率的である。大部分の電力は他の全ての方向に放射され、自由空間で失われる。そのような非効率的な電力転送はデータ伝送を行うには許容される可能性があるが、電気デバイスの電力供給又は充電等の動作を行う目的で使用可能な量の電気エネルギーを転送するには実用的ではない。

いくつかの放射エネルギー転送方式の転送効率を向上する１つの方法は、放射エネルギーを制限し且つ優先的にレシーバに向けるために指向性アンテナを使用することである。しかし、これらの有向放射方式は、移動トランスミッタ及び／又はレシーバの場合には、割り込み不可能な見通し線及び潜在的に複雑な追跡及びステアリング機構を必要とする場合がある。更に、そのような方式は、少量から大量の電力が伝送されている時に、光線を横切るか又は光線と交差する物体又は人に対して危険を生じさせる可能性がある。誘導又は従来の誘導と呼ばれることが多い既知の非放射方式又は近接場無線エネルギー転送方式は、電力を放射しない（意図的に）が、一次コイルを通過する振動電流を使用して、近接受電又は二次コイルに電流を誘導する振動近傍磁界を生成する。従来の誘導方式は、一次電源ユニットと二次レシーバユニットとの間のオフセット許容値が非常に小さい状態で、非常に短い距離であるが少量から大量の電力の伝送を実証した。電気変圧器及び近接充電器は、この既知の短距離の近接場エネルギー転送方式を利用するデバイスの例である。

使用可能な電力が電源から近接場と呼ばれる距離内に配置されたレシーバに無線転送可能であることは既知である。近接場は、転送に関わる双方の物体より数倍長い距離（殆どの応用例の場合、約１ｍ等）内で、比較的大量の電力（少なくとも数ワットのオーダ）が無線電源デバイスとレシーバとの間で許容される効率で転送可能であることを意味する。このように、限定された応用例に適切な距離にわたり使用可能な量の電力を無線転送する現実的で実用的な方法が実現される。一般に、無線電子デバイス等の各電池式デバイスは、通常は交流（ＡＣ）電源コンセントである自身の充電器及び電源を必要とする。そのような有線構成は、多くのデバイスが充電を必要とする場合に使用しにくくなる。

無線で電力供給されるローカルコンピューティング環境において周辺デバイス間の効率的で使用し易い対話のための方法、システム及び装置が望まれる。

以下は、Ａｒｉｓｔｅｉｄｉｓ Ｋａｒａｌｉｓ他の「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｍｉｄ−ｒａｎｇｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ」、Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３２３ （２００８） ３４〜４８、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００７年４月２７日である。

１．概要
近年の電磁気学において、電線網が開発される前、多くの関心及び努力は搬送媒体（例えば、無線）なしで長距離にわたりエネルギーを輸送する方式の開発に向けられていた（特に、Ｎｉｋｏｌａ Ｔｅｓｌａ［１］によるもの）。この努力は、殆ど成功しなかったように見える。全方向性アンテナの放射モード（情報転送には非常に適切に動作する）は、エネルギーの殆どが自由空間で浪費されるため、そのようなエネルギー転送には不適切である。レーザ又は高指向性アンテナを使用する有向放射モードは、長距離（転送距離Ｌ_{ＴＲＡＮＳ}＞＞Ｌ_ＤＥＶであり、式中、Ｌ_ＤＥＶはデバイスの特徴サイズである）であってもエネルギー転送に効率的に使用されるが、移動物体の場合には割り込み不可能な見通し線及び複雑な追跡システムの存在が必要とされる。近年の自律電子機器（例えば、一般に化学エネルギー格納に依存するラップトップ、携帯電話、家庭用ロボット）の急速な発達は、この課題の研究に立ち戻るだけの正当な理由となる。今日、Ｔｅｓｌａとは異なる課題に直面している。すなわち、既存の電線網はほぼどこへでもエネルギーを搬送するため、中距離（Ｌ_{ＴＲＡＮＳ}≒少数＊Ｌ_ＤＥＶ）の無線エネルギー転送でも多くの応用例にとって非常に有用である。現在使用されている方式がいくつか存在する。これらの方式は、非放射モード（磁気誘導）に依存するが、非常に近距離（Ｌ_{ＴＲＡＮＳ}＜＜Ｌ_ＤＥＶ）又は非常に低い電力（〜ｍＷ）のエネルギー転送に制約される［２］〜［６］。

上記の全ての方式に対して、効率的な無線非放射中距離エネルギー転送のために局在化したゆっくりとしたエバネッセント場パターンによる長寿命の振動電磁共鳴モードを使用する実現可能性を研究する。提案される方法は、既知の共振結合の原理（他の非共振環境物体と僅かに相互作用しつつ２つの同一周波数の共振物体が結合する傾向にあること）及び特に共振エバネッセント結合（ここで、結合機構は２つの物体の非放射近接場の重複部分により仲介される）に基づく。この既知の物理的現象は、一般に、エネルギーが近接場（例えば、光導波管又は空洞カプラ及び共振誘導電気変圧器）において物体間で効率的に結合されるという結果をもたらす。しかし、この同一の物理的現象が中距離においてどのように機能するかはまだ明らかではなく、我々の知る限りでは、転送に関わる双方の物体の最大寸法より数倍長い距離にわたる効率的なエネルギー転送を実証する文献においてその研究はない。この論文において、詳細な理論上の数値解析は、交換システムが全ての固有の損失速度と比較して「強結合」のレジームにおいて動作するように注意深く設計されるという条件下で、他の非共振物体へのエネルギーの少ない転送及び消散があるが、そのような効率的な中距離無線エネルギー交換が実際に達成可能であることを示す。「強結合」の物理的現象は既知であるが、光に関する相互作用の分野［７］等の非常に異なる分野においてである。この有利な動作レジームにおいて、以下の問題に定量的に対処する。すなわち、そのような方式が効率的になる最大距離及び外乱に対する感度に定量的に対処する。近接場の全方向性であるが定常的（無損失）である性質により、この機能は移動無線レシーバに適切なものになる。従って、デバイス（ロボット、乗り物又はコンピュータ等）が工場部屋で自由に動き回っている間に例えば電源（有線電力網に接続された）をその部屋の天井に配置することを含む種々の可能な応用例を有することができる。他の可能な応用例は、電気エンジンのバス、ＲＦＩＤ及びナノロボットも含む。

２．結合の範囲及び速度
提案した無線エネルギー転送方式の範囲及び速度は、動作に使用するためにシステムからのエネルギー排出を考慮しない検査の第１の問題である。この共振エネルギー交換をモデル化する適切な解析フレームワークは、既知の結合モード理論（ＣＭＴ）のフレームワークである［８］。これに関して、２つの共振物体１及び２のシステムの場は、Ｆ（ｒ，ｔ）≒ａ_１（ｔ）Ｆ_１（ｒ）＋ａ_２（ｔ）Ｆ_２（ｒ）により近似される。式中、Ｆ_１，２（ｒ）は１及び２のみの固有モードであり、場の振幅ａ_１（ｔ）及びａ_２（ｔ）は最低次数に対して以下を満足するように示される［８］。

ｄａ_１／ｄｒ＝−ｉ（ω_１−ｉΓ_１）ａ_１＋ｉκａ_２
ｄａ_２／ｄｒ＝−ｉ（ω_２−ｉΓ_２）ａ_２＋ｉκａ_１ （１）
式中、ω_１，２は個々の固有周波数であり、Γ_１，２は物体の固有（吸収、放射等）の損失による共振幅であり、κは結合係数である。式（１）は、正確な共振（ω_１＝ω_２及びΓ_１＝Γ_２）において合成システムの正常モードは２κにより分割されることを示す。すなわち、２つの物体間のエネルギー交換は〜π／２ｋの時間に行われ、結合速度が全ての損失速度より非常に速い（κ＞＞Γ_１，２）場合に最小となる損失は別としてほぼ完璧である１。この比率が達成可能な距離と共に無線エネルギー転送を考慮してあらゆるシステムに対して性能指数として設定するのは、まさにこの比率κ／√（Γ_１Γ_２）である。所望の最適なレジームκ／（Γ_１Γ_２）＞＞１は「強結合」レジームと呼ばれる。

その結果、エネルギー転送応用例は、低い（遅い）固有の損失速度Γに対して高いＱ＝ω／２Γの共振モードを要求する。そのため、結合が損失の大きい放射遠距離場ではなくエバネッセント（無損失）定常近接場を使用して実現される方式を提案する。更に、強い（速い）結合速度κは物体の特徴サイズより長い距離にわたり必要とされる。従って、有限サイズの共振物体の周囲の空気への近接場の延長が一般に波長により設定される（且つ「放射面」により厳密に定量化される）ため、この中距離非放射結合は、サブ波長サイズの共振物体及び従って非常に長いエバネッセント場テールを使用してのみ達成可能である。これは、近接するデバイスとの相互作用を最小限にするために通常短いテールが好まれるため、広範に研究されていない動作のレジームである。後述の例において分かるように、多くの場合にそのようなサブ波長の共振は高い放射Ｑを伴う可能性があるため、これは一般に可能性のある移動共振デバイス‐物体ｄに対して適切な選択肢となる。尚、共振電源‐物体ｓは、実際には静止しており、許容される幾何学的配置及びサイズに対してより厳しくない制約が課されることが多く、従って、近接場の範囲が波長により制限されないくらい十分大きい値が選択される（例えば、ゆっくりとした指数関数的減衰に対して空気中の「光の線」の近くに同調された導波モードを含む導波管を使用して）。

提案した方式は非常に一般的であり、上記必要条件を満足するあらゆる種類の共振構造（例えば、電磁気、音響、原子核）がその実現のために使用可能である。限定的な例として、２つの既知の非常に異なる電磁共鳴システム、すなわち誘電体円板及び容量装荷型導線ループを使用して動作することを選択する。最適化をしなくても、それらが単純であるにも関わらず、双方とも許容される適切な性能を示すことが明らかとなるだろう。

２．１．誘電体円板
高いＱの「ウィスパリングギャラリー」共振モードをサポートする空気に囲まれた半径ｒ及び誘電率εの２Ｄ誘電体円板物体を考える（表１）。そのような共振システム内に格納されたエネルギーの損失機構は、自由空間への放射及び円板材料内への吸収である。誘電率εが大きく且つ方位磁場の変動が遅い（すなわち、小さい主番号ｍ）場合にのみ、高いＱ^ｒａｄ及び長いテールのサブ波長共振が達成される。材料の吸収は、材料の損失タンジェントＱ^ａｂｓ〜Ｒｅ｛ε｝／Ｉｍ｛ε｝に関係する。この種の円板共振に対するモード解計算は、２つの独立した方法を使用して実行された。すなわち、数値的には、２Ｄ有限差分周波数領域（ＦＤＦＤ）シミュレーション（空間離散化とは別に周波数領域においてマックスウェルの方程式を厳密に解く）が３０ｐｔｓ／ｒの分解能で実行され、解析的には、極座標の標準的な変数分離（ＳＶ）が使用された。λ／ｒ≧１０の２つのＴＥ分極誘電体円板サブ波長モードに対する結果を表１に提示する。２つの方法は、非常によく一致し、適切に設計された共振低損失誘電物体に対して、Ｑ^ｒａｄ≧２０００及びＱ^ａｂｓ〜１０，０００が達成可能であるべきであることを示す。

尚、表１に示す要求されたεの値は、最初、非現実的に大きく見えるだろう。しかし、マイクロ波レジーム（メートル範囲の結合応用例に適切である）において適度に十分に高い誘電定数及び低い損失を有する多くの材料（例えば、チタニア：ε≒９６、Ｉｍ｛ε｝／ε≒１０−３、四チタン酸バリウム：ε≒３７、Ｉｍ｛ε｝／ε≒１０^−４、タンタル酸リチウム、ε≒４０、Ｉｍ｛ε｝／ε≒１０^−４等）が存在するだけでなく［９］、［１０］、εは、金属状の（負のε）材料［１１］又は金属誘電体フォトニック結晶［１２］の表面上の表面プラズモンモード等の他の既知のサブ波長（λ／ｒ＞＞１）表面波システムの有効指数を示せる。

ここで２つの円板１と２との間の達成可能なエネルギー転送速度を計算するために、それら円板を中心距離Ｄで配置する（表２）。数値的には、ＦＤＦＤモード解法シミュレーションが初期の単一円板モードの偶数及び奇数の重ね合わせである合成システムの正常モードの周波数分割（＝２κ）によりκを与える。解析的には、変数分離に対する表現を使用して、固有場Ｅ１，２（ｒ）ＣＭＴはκ＝ω_１／２・∫ｄ^３ｒε_２（ｒ）Ｅ^* _２（ｒ）Ｅ_１（ｒ）／∫ｄ^３ｒε（ｒ）｜Ｅ_１（ｒ）｜^２によりκを与える。式中、ε_ｊ（ｒ）及びε（ｒ）は円板ｊ（−定数ε_０の背景）及び空間全体を記述する誘電関数である。その後、媒体距離Ｄ／ｒ＝１０^−３に対して及びｒ_Ｃ＝ｍλ／２πが放射面の半径である時にＤ＜２ｒ_Ｃとなるような非放射結合に対して、２つの方法が非常によく一致し、最終的にκ／Γ〜１−５０の範囲における結合対損失比を見つける（表２）。達成された性能指数値は、理想的な「強結合」動作レジームκ／Γ＞＞１内に入らないが、以下で分かるように応用例に有用となるくらい大きい。

２．２．容量装荷型導線ループ
全てが空気により囲まれ、相対誘電率εの誘電体を介して距離ｄをおいて配置された面積Ａの一対の伝導性平行板に接続された半径ａの円形の断面を有する導線の半径ｒのループを考える（表３）。導線はインダクタンスＬを有し、板は静電容量Ｃを有し、システムは共振モードを有する。ここで、共振の性質は、コンデンサにかかる電圧によるコンデンサ内部の電界から導線中の電流による自由空間の磁界へのエネルギーの周期的な交換にある。この共振システムにおける損失は、導線内の抵抗損Ｒ_ａｂｓ及び自由空間への放射損Ｒ_ｒａｄから成る。この種のＲＬＣ回路共振に対するモード解計算は、ここでも２つの独立した方法を使用して実行された。すなわち、数値的には、３Ｄ有限要素周波数領域（ＦＥＦＤ）シミュレーション（空間離散化とは別に周波数領域においてマックスウェルの方程式を厳密に解く）が実行された［１３］。また、導線の境界はη_ｃ／η_ｏ＜＜１［１４］（マイクロ波において、銅の場合は＜１０^−５）である限り有効である複素インピーダンスη_ｃ＝√（μ_ｃω／２σ）の境界条件を使用してモデル化された。ここで、μｏ、εｏ及びη_ｏ＝√（μ_ｃω／２σ）はそれぞれ透磁率、誘電率及び自由空間のインピーダンスであり、σは導線の電気伝導率である。解析的には、式Ｌ＝μ_ｏｒ［ｌｎ（８ｒ／ａ）−２］［１５］及びＣ＝ε_ｏεＡ／ｄ、並びに所望のサブ波長ループ（ｒ＜＜λ）の制限では準静的な式Ｒ_ａｂｓ≒η_ｃｒ／ａ（浸透厚効果を考慮に入れる）及びＲ_ｒａｄ≒π／６η_ｏ（ｒ／λ）４［１５］が共振周波数ω＝１／√ＬＣ及びその品質因子Ｑ^ａｂｓ＝ωＬ／Ｒ_ａｂｓ及びＱ^ｒａｄ＝ωＬ／Ｒ_ｒａｄを判定するために使用された。静電容量及び従って共振周波数を同調することにより、合計のＱはループパラメータにより判定されたある最適な周波数に対して最大となる。すなわち、合計のＱは、低周波数では抵抗損により支配され、高周波数では放射により支配される。この最適な周波数におけるλ／ｒ＞＞７０（すなわち、準静的制限において近接場結合に非常に適している）の２つのサブ波長モードに対する結果を表３に提示する。ここでも、２つの方法は、非常によく一致し、マイクロ波における予想される品質因子がＱ^ａｂｓ＞＞１０００及びＱ^ｒａｄ＞＞１０，０００であることを示す。

表２は、正常モードの電界と共に半径ｒ（黄色）であり且つ高いεを有する２つの同一の２Ｄ円板の間の媒体距離Ｄの結合のためのそれら円板のシステムを示し、これは重ねられた（赤／白／青）表１の単一円板モードの偶数の重ね合わせである。尚、表１の単一円板モードの奇数の重ね合わせである正常モードもある（不図示）。表は、表１に提示した円板モードの２つの例に対して、波長の平均及び２つの正常モードの損失速度（個々の値は示さない）に対する数値的なＦＤＦＤ（及び括弧内は解析的なＣＭＴ）の結果、並びに結合距離Ｄの関数である結合速度及び「強／弱結合」性能指数を示す。非放射（Ｄ＜２ｒＣ）結合に対する距離のみが考慮される。尚、ＣＭＴが予測できない２つの正常モードに対して存在する遠距離場干渉効果のため、示される平均Γ^ｒａｄ（及び合計のΓ）は表１の単一円板の値とは僅かに異なる。これにより、Γ^ｒａｄに対する解析結果は示されないが、単一円板の値が使用される。（表の特定のパラメータは、表において太字で強調表示される。）（表の説明における色に対する参照を解釈するには、この論文のｗｅｂバージョンを参照。）

中心距離Ｄである２つのループ１及び２の間のエネルギー転送の速度に対して（表４）、数値的には、ここでもＦＥＦＤモード解法シミュレーションが合成システムの正常モードの周波数分割（＝２κ）によりκを与える。解析的には、κはκ＝ωＭ／（２√（Ｌ_１Ｌ_２））により与えられる。ここで、Ｍは２つのループの相互インダクタンスであり、準静的制限ｒ＜＜Ｄ＜＜λにおいて表４に示す相対的な方位に対してＭ≒π／２μ_ｏ（ｒ_１ｒ_２）^２／Ｄ^３［１４］であり、ω／２κ〜（Ｄ／√（ｒ_１ｒ_２））^３であることを意味する。媒体距離Ｄ／ｒ＝１０^−３に対して、２つの方法は非常によく一致し、最終的に単一ループＱ１，２がピークとなる周波数の間のある周波数でピークとなり且つκ／Γ〜０．５−５０の範囲にある結合対損失比を見つける（表４）。

表３は、重ねられた共振モード（正／ゼロ／負の磁界の領域に赤／白／青で示す）の磁界のスライスと共に空気により囲まれた距離ｄだけ離れた一対の平行板（黄色で示す）に接続された半径ｒの導線ループを示す。表は、サブ波長ループ共振モードの２つの異なる例に対して、波長、吸収速度、放射速度及び総損失速度に対する数値的なＦＥＦＤ（及び括弧内は解析な）結果を示す。尚、導電性材料に対して、銅（σ＝５．９９８×１０７Ｓ／ｍ）が使用された。（図の特定のパラメータは、表において太字で強調表示される。）（図の説明における色に対する参照を解釈するには、この論文のｗｅｂバージョンを参照。）

そのような共振結合誘導方式とエネルギー転送に対する既知の非共振誘電方式との相違点を理解することは重要である。幾何学的配置及び電源に格納されたエネルギーを一定に保持すると、共振誘導機構は従来の非共振機構と比較してデバイスでの動作のために〜Ｑ２（〜１０^６）倍の電力を出力することを可能にすることを示すことは、ＣＭＴを使用すると容易である。このため、近距離の非接触の中程度の電力（〜Ｗ）転送のみが後者［２］［３］により可能である一方で、共振により近距離であるが高い電力（〜ｋＷ）の転送が許可される［４］［５］か、あるいは、現在提案されているように、強結合レジームにおける動作を保証する場合に中距離の中程度の電力の転送が可能である。容量装荷型導線ループは、実際には共振アンテナ（例えば、携帯電話における）としても広く使用されているが、Ｄ／ｒ＞＞１、ｒ／λ〜１の遠距離場レジームにおいて動作し、放射Ｑがアンテナを効率的にするために小さくなるように意図的に設計されているため、エネルギー転送には適さない。

表４は、重ねられた（赤／白／青）偶数の通常モードの磁界のスライスと共に平行板（黄色）に接続された２つの同一の導線ループの間の媒体距離Ｄの結合のためのそれら導線ループのシステムを示す。尚、基数の通常モード（不図示）も存在する。表は、表３に提示したモードの２つの例に対して、波長の平均及び２つの正常モードの損失速度（個々の値は示さない）に対する数値的なＦＥＦＤの結果（及び括弧内は解析結果）、並びに結合距離Ｄの関数である結合速度及び「強／弱結合」性能指数を示す。尚、解析モデルが予測できない２つの正常モードに対して存在する遠距離場干渉効果のため、示される平均Γ^ｒａｄは表３の単一ループの値とは僅かに異なる。従って、Γ^ｒａｄに対する解析結果は示さないが、単一ループの値が使用される。（図の特定のパラメータは、表において太字で強調表示される。）（図の説明における色に対する参照を解釈するには、この論文のｗｅｂバージョンを参照。）

３．外部物体の影響
提案した共振に基づく無線エネルギー転送方式の成功は、物体の共振のロバスト性に大きく依存することは明らかである。従って、不規則な非共振外部物体が近くに存在することに対する感度は、解析を必要とする提案した方式の別の面である。適切な解析モデルは、摂動理論（ＰＴ）［８］の解析モデルであり、これは、外部物体ｅが存在している場合に共振物体１内の場の振幅ａ_１（ｔ）は一次に対して以下を満足する。
ｄａ_１／ｄｔ＝−ｉ（ω_１−Γ_１）ａ_１＋ｉ（κ_１１―ｅ＋ｉΓ_１−ｅ）ａ_１ （２）
式中、ω_１は周波数であり、Γ_１は固有（吸収、放射等）損失速度である。一方、κ_１１−ｅは、ｅの存在のために１に誘導される周波数偏移であり、Γ_１−ｅはｅ（ｅ内の吸収、ｅからの散乱等）による外部の損失速度である^２。周波数偏移は、周波数を補正し（幾何学的配置の小さな変化により）且つそれを電源の周波数に一致させるフィードバック機構を全てのデバイスに適用することにより容易に「修正」される問題である。しかし、外部の損失は、軽減できないため、エネルギー転送方式の機能性に不利益となる可能性があるため、総損失速度Γ_１［ｅ］＝Γ_１＋Γ_１−ｅ及び対応する性能指数κ_［ｅ］＝√（Γ_１［ｅ］Γ_２［ｅ］）は定量化される必要がある。ここで、κ_［ｅ］は摂動結合速度である。

３．１．誘電体円板
考慮した共振物体の第１の例、すなわち誘電体円板において、小型、低指数、低材料損失又は遠くの浮遊物体は小さい散乱及び吸収を誘導する。そのような小さい摂動の例において、これら外部の損失機構は、解析的な一次ＰＴ式Γ^ｒａｄ _１−ｅ∝ω_１・∫ｄ^３ｒ｜Ｒｅ｛ε_ｅ（ｒ）｝｜^２｜Ｅ_１（ｒ）｜^２／Ｕ、及び、Γ^ｒａｄ _１−ｅ＝ω_１／４・∫ｄ^３ｒＩｍ｛ε_ｅ（ｒ）｝｜Ｅ_１（ｒ）｜^２／Ｕをそれぞれ使用して定量化される。式中、Ｕ＝１／２・∫ｄ^３ｒε（ｒ）｜Ｅ_１（ｒ）｜^２は非摂動モードの合計の共振電磁エネルギーである。理解できるように、これら損失の双方が外部物体の場所における共振電界テールの２乗に依存する。これに対して、物体１から別の共振物体２への結合速度は、上述したように、κ＝ω_１／４・∫ｄ^３ｒε_２（ｒ）Ｅ^* _２（ｒ）Ｅ_１（ｒ）／Ｕであり、２内の１の電界テールＥ_１に線形依存する。このスケーリングの差分は、指数関数的に小さい場のテールに対して、他の共振物体に対する結合が少なくとも小さい摂動に対する全ての外部損失速度（κ＞＞Γ_１−ｅ）より非常に速いはずであり、従って、エネルギー転送方式がこの種の共振誘電体円板に対して堅牢であると予想されるという確信を与える。

しかし、上記の一次ＰＴの方法を使用して解析するには強すぎる摂動を外部物体が引き起こすある可能な状況を検査したい。例えば、表５の図ａに示すように大きいＲｅ｛ε｝、Ｉｍ｛ε｝及び同一サイズの異なる形状の別の非共振物体（人間ｈ等）、並びに表５の図ｂに示すように小さいＲｅ｛ε｝、Ｉｍ｛ε｝の大きな範囲の凸凹にされた面（壁ｗ等）に近接して誘電体円板ｅを配置する。円板の中心と「人間」の中心／「壁」との間の距離がＤ_ｈ／ｗ／ｒ＝１０^−３である場合、表５に提示される数値的なＦＤＦＤシミュレーション結果は、Ｑ^ｒａｄ _ｃ[ｈ]，Ｑ^ｒａｄ _ｃ[ｗ]＞＞１０００（初期のＱ^ｒａｄ _ｃ＞＞２０００の代わりに）、Ｑ^ａｂｓ _ｃ〜１０，０００（当然、変更されない）、Ｑ^ｒａｄ _{ｃ［ｈ］，}Ｑ^ｒａｄ _ｃ［ｗ］〜１０^５−１０^２及びＱ^ａｂｓ _ｃ-ｗ〜１０^５−１０^４であることを提案する。すなわち、円板共振は、高損失の物体が非常に近接していることを例外として外部物体の存在により不利益に妨げられないため非常にロバスト性が高いと考えられる［１６］。

エネルギー転送システム全体に対する大きい摂動の影響を検査するために、「人間」及び「壁」の双方が近くに存在している場合の２つの共振円板を考える。数値的なＦＤＦＤシミュレーションは、システム性能がκ／Γ_ｃ〜１−５０（表２）からκ_［ｈｗ］／Γｃ_［ｈｗ］〜０．５−１０（表６）に、すなわち許容可能な少量だけ低下することを示す。

表５は、外部物体(黄色）に近接した距離Ｄ_ｈ／ｗにある円板（黄色）を示す。重ねられた（赤／白／青）円板の摂動共振モードの電界と共に、（ａ）ディスクと同一サイズ（面積）であり、高いε＝４９＋１６ｉ（大きいが実際にはＧＨｚレジームにおいて人間の筋肉に適切である［１６］）を有する正方形の物体及び（ｂ）ε＝２．５＋０．０５ｉ（コンクリート、ガラス、プラスチック、木等の一般的な材料に適切である［１６］）の大きい凸凹した面を示す。表は、上述の図面に提示した円板モードの２つの例に対して、外部物体内の吸収率及び総放射損失速度（外部物体からの散乱を含む）を含む円板の摂動共振のパラメータに対する数値的なＦＤＦＤ結果を示す。尚、ここでも、円板の材料の損失タンジェントＩｍ｛ε｝／Ｒｅ｛ε｝＝１０^−４が使用され、Ｑ^ｒａｄ _{ｃ[ｈ／ｗ]}は放射遠距離場と強く散乱した遠距離場との間の干渉効果（強め合う干渉又は弱め合う干渉）のために表１の単一円板 とは異なる（減少又は増加する）。（図の特定のパラメータは、表において太字で強調表示される。）（図の説明における色に対する参照を解釈するには、この論文のｗｅｂバージョンを参照。）

３．２．容量装荷型導線ループ
考慮した共振物体の第２の例である導線ループにおいて、共振に対する外部物体の影響は殆どない。その理由は、考慮している動作（ｒ＜＜λ）の準静的レジームにおいて、ループを取り囲む空気領域の近接場の殆どが磁界であり（電界がコンデンサ内で局在化するため）、従って、この近接場と相互作用し且つ共振に対する摂動として作用する外部の非金属物体ｅは有効な磁気特性（透磁率Ｒｅ｛μ｝＞１又は磁気損失Ｉｍ｛μ｝＞０）を有する物体である。ほぼ全ての日常的な材料は、非磁性体であるため、自由空間と同様に磁界に反応し、導線ループの共振を乱すことがない。この外乱の大まかな推定値のみを得るために、表４に示した例のような例の場に対する数値的な結果及びループ間に存在し且つほぼ１つのコンデンサ上に立つ（コンデンサから〜３ｃｍ離れている）寸法３０ｃｍ×３０ｃｍ×１．５ｍであり誘電率ε＝４９＋１６ｉ（人間の筋肉）の矩形物体により、上述したＰＴ式Γ^ｒａｄ _１−ｅ＝ω_１／４・∫ｄ^３ｒＩｍ｛ε_ｅ（ｒ）｝｜Ｅ１（ｒ）｜^２を使用し、Ｑ^ａｂｓ _ｃ−ｈ〜１０^５を見つけ、〜１０ｃｍ離れている場合にはＱ^ａｂｓ _ｃ−ｈ〜５×１０^５を見つける。従って、通常の距離（〜１ｍ）及び配置（コンデンサの真上ではない）の場合、又は非常に小さな損失タンジェントの最も一般的な外部物体ｅの場合、Ｑ^ａｂｓ _ｃ−ｅ→∞であること及びκ_［ｅ］／Γ_［ｅ］〜κ／Γ〜０．５-５０であることが妥当であると結論付ける。これらの共振に影響を及ぼすと予想される摂動のみが大きな金属性の構造に近接している。

表６は、２つの外部物体（黄色）に近接した等距離Ｄにある２つの同一の円板(黄色）の間の媒体距離Ｄの結合に対するそれら円板のシステムを示す。重ねられた（赤／白／青）システムの偶数の摂動正常モードの電界と共に、円板と同一サイズ（面積）であり且つ高いε＝４９＋１６ｉを有する正方形物体及びε＝２．５＋０．０５ｉの大きい凸凹した面を示す。表は、上述の図面に提示した円板モードの２つの例に対して、波長の平均及びシステムの２つの摂動通常モードの損失速度（個々の値は示さない）に対する数値的なＦＤＦＤ結果、並びに距離Ｄの関数である摂動結合速度及び「強／弱結合」性能指数を示す。非放射（Ｄ＜２ｒＣ）結合に対する距離のみが考慮される。尚、ここでも、平均Γ^ｒａｄは全ての放射及び散乱遠距離場の間の干渉効果を考慮に入れる。（図の特定のパラメータは、表において太字で強調表示される。）（図の説明における色に対する参照を解釈するには、この論文のｗｅｂバージョンを参照。）

このことの非常に重要な意味は、人間に対する安全面に関係する。人間も非磁性であり、あらゆる危険性なしで強い磁界に耐えられる。磁界Ｂ〜１Ｔが人間に対して安全に使用される一般的な例は、医療検査のための磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）技術である。これに対して、デバイスに数ワットの電力を提供するためにこの方式が必要とする磁気近接場はＢ〜１０^−４Ｔであり、これは実際には地磁界の大きさと同等である。上述したように強い電気近接場が存在せず且つこの非放射方式から生成される放射線が最小であるため、提案するエネルギー転送方法が生体に安全であることを予想することは妥当である。

考査中の２種類の共振システムの比較において、外部物体に対する強い免疫及び人間に対する危険性がないことにより、導線ループは多くの実世界の応用例に対する好適な選択肢となる。一方、高い（有効な）屈折率の円板（又は球体）のシステムは、非常に小さい長さスケールにも適用可能である（例えば、導電材料の損失が高いため、光レジームにおいて誘電体が普及している）という利点を有する。

４．エネルギー転送方式の効率
外部物体ｅの集合が存在する場合の共振電源ｓ及びデバイスｄの合成システムを考慮する。ここで、エネルギーが操作動作に使用するために速度Γ_ｗｏｒｋでデバイスから排出されている場合にこの共振を利用したエネルギー転送方式の効率を調査する。デバイスの場の振幅に対する結合モード理論方程式は以下のとおりである。
ｄａ_ｄ／ｄｔ＝−ｉ（ω−ｉΓ_ｄ［ｅ］）ａ_ｄ＋ｉκ_[ｅ]ａ_ｓ−Γ_ｗоｒｋａ_ｄ （３）
式中、Γ_ｄ［ｅ］＝Γ^ｒａｄ _ｄ［ｅ］＝Γ^ａｂｓ _ｄ［ｅ］＝Γ^ｒａｄ _ｄ［ｅ］＋（Γ^ａｂｓ _ｄ＋Γ^ａｂｓ _ｄ-ｅ）は、正味の摂動デバイス損失速度であり、同様に摂動電源に対してΓ_ｓ［ｅ］を定義する。種々の時間的方式は、デバイスから電力を抽出するために使用され（例えば、定常状態の連続波排出及び周期的な瞬時的排出等）、それら方式の効率は、合成システムのパラメータに対して異なる依存性を示す。ここでは、電源内の場の振幅が一定に維持されるような定常状態、すなわちａ_ｓ（ｔ）＝Ａ_ｓｅ^−ｉωｔを仮定するため、デバイス内の場の振幅はａ_ｄ（ｔ）＝Ａ_ｄｅ^−ｉωｔであり、ここで、Ａ_ｄ／Ａ_ｓ＝ｉκ_［ｅ］／（Γ_ｄ［ｅ］＋Γ_ｗｏｒｋ）である。種々の時間平均関心電力は以下のとおりである。すなわち、使用可能な抽出電力はＰ_ｗｏｒｋ＝２Γ_ｗｏｒｋ｜Ａ_ｄ｜^２であり、放射（散乱を含む）電力はＰ_ｒａｄ＝２Γ^ｒａｄ _ｓ［ｅ］｜Ａ_ｓ｜^２＋２Γ^ｒａｄ _ｄ［ｅ］であり、電源／デバイスにおいて吸収される電力はＰ_ｓ／ｄ＝２Γ^ａｂｓ _ｓ／ｄ｜Ａ_ｓ／ｄ｜^２であり、外部物体において吸収される電力はＰ_ｅ＝２Γ^ａｂｓ _ｓ−ｅ｜Ａ_ｓ｜^２＋２Γ^ａｂｓ _ｄ−ｅ｜Ａ_ｄ｜^２である。エネルギーの節約の結果、システムに入る時間平均総電力はＰ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｐ_ｗｏｒｋ＋Ｐ_ｒａｄ＋Ｐ_ｓ＋Ｐ_ｄ＋Ｐ_ｅである。尚、通常システムに存在し且つ格納されたエネルギーを循環させる無効電力は共振の際に相殺され（これは、例えばポインティング定理の電磁気において証明される［１４］）、電力平衡の計算に影響を及ぼさない。動作効率は以下の通りである。

式中、ｆｏｍ_［ｅ］＝κ_［ｅ］／√（Γ_ｓ［ｅ］Γｄ_［ｅ］）は摂動共振エネルギー交換システムの距離に依存する性能指数である。対象とする応用例によって、動作‐排出の比率に対する適切な選択肢は、電源に格納された必要なエネルギーを最小限にするにはΓ_ｗｏｒｋ／Γ_ｄ［ｅ］＝１であり、ｆｏｍ_［ｅ］のある特定の値に対する効率を最大にするにはΓ_ｗｏｒｋ／Γ_ｄ［ｅ］＝√（１＋ｆｏｍ^２ _［ｅ］）＞１であり、あるいはデバイスに格納された必要なエネルギーを最小限にするにはΓ_ｗｏｒｋ／Γ_ｄ［ｅ］＞＞１である。これら選択肢のいずれの場合にも、η_ｗｏｒｋはｆｏｍ_［ｅ］のパラメータのみの関数である。η_ｗｏｒｋは、表７の最適な選択肢に対して黒い実線で示され、ｆｏｍ_［ｅ］＞１の場合はη_ｗｏｒｋ＞１７％であり、すなわち実用的な応用例に対して十分に大きい。損失変換比率は他のシステムパラメータにも依存し、妨害する殆どのパラメータ（浮遊物体における放射及び吸収）は、先に判定された範囲内のパラメータに対する値を有する誘電体円板及び導電ループの２つのシステムの例に対して表７に示される。

システム性能に対する数値的な推定を得るために、例えば結合距離Ｄ／ｒ＝５とし、外部物体「人間」は距離Ｄ_ｈ／ｒ＝１０にあり、Ｐ_ｗｏｒｋ＝１０Ｗは負荷に出力される必要がある。誘電体円板の場合、Ｑ^ｒａｄ _ｓ［ｈ］＝Ｑ^ｒａｄ _ｄ［ｈ］〜１０^３、Ｑ^ａｂｓ _ｓ＝Ｑ^ａｂｓ _ｄ〜１０^４、Ｑ^ａｂｓ _ｓ−ｈ＝Ｑ^ａｂｓ _ｄ−ｈ〜５×１０^４（表５に基づく）、及びｆｏｍ_［ｈ］〜３（表２及び表６に基づく）を有するため、表７から、効率η_ｗｏｒｋ＝５２％であることが分かり、Ｐ_ｒａｄ≒８．３Ｗが自由空間に放射され、Ｐ_ｓ≒０．５Ｗが電源内で散逸し、Ｐ_ｄ≒０．３Ｗがデバイス内で散逸し、Ｐ_ｈ≒０．２Ｗが人間の中で散逸することが分かる。一方、導電ループの場合、Ｑ^ｒａｄ _ｓ［ｈ］＝Ｑ^ｒａｄ _ｄ［ｈ］〜１０^４、Ｑ^ａｂｓ _ｓ＝Ｑ^ａｂｓ _ｄ〜１０^３、Ｑ^ａｂｓ _ｓ−ｈ＝Ｑ^ａｂｓ _ｄ−ｈ→∞及びｆｏｍ_［ｈ］〜４を有するため（表３及び表４に基づく）、η_ｗｏｒｋ＝６１％、Ｐ_ｒａｄ≒０．６Ｗ、Ｐ_ｓ≒３．６Ｗ、Ｐ_ｄ≒２．２Ｗ及び最も重要なのはＰ_ｈ→０であることが分かる。

５．結論
結論として、中距離の無線非放射エネルギー転送に対して「強結合」共振に基づく方式を提示する。ここでの考察は静的な幾何学的配置に対するものであった（すなわち、κ及びΓ_ｅは時間に依存しなかった）が、エネルギー転送時間κ^−１（マイクロ波の応用例の場合〜１−１００μｓ）が肉眼で見える物体の動きと関連するあらゆる時間尺度より非常に短いため、全ての結果は、移動物体の動的な幾何学的配置に対して直接適用可能である。非常に単純な幾何学的配置の実現例の解析は期待できる性能特性を提供し、厳しい設計の最適化により更なる改善が期待される。従って、提案した機構は、多くの現在の応用例に対して見込みがある。例えば、肉眼で見える世界では、この方式は、潜在的に工場部屋のロボット及び／又はコンピュータ、あるいは幹線道路にいる電気バス（この場合、電源‐空洞は幹線道路上に通る「パイプ」である）に電力を出力するために使用される。非常に小さい波長が使用され且つ小さい電力が必要とされるようなミクロの世界において、ＣＭＯＳ電子機器に対して光学的相互接続を実現するために、あるいは電源とデバイスとの相対的な位置関係に関してあまり心配せずに自律ナノ物体（例えば、ＭＥＭＳ又はナノロボット）にエネルギーを転送するために使用できる。

将来の科学の研究の場として、大きい有効屈折率のプラズモン又は金属誘電体構造等の種々の材料を調査することにより、あるいは例えば結合物体の放射場間の上述した干渉効果を調査することでシステム設計を微同調することにより、電磁システム対して向上した性能が追求されるべきである。更に適用可能な範囲は、電源及びデバイスが共通の凝縮物質の物体を介して接続される音響システムに拡張可能である。

本発明は、コンピューティング環境において無線近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）電力伝送を利用するシステム及び方法を提供する。特に、ＮＦＭＦトランスミッタに対してあらゆる空間方位で位置付けられる一方で、ＮＦＭＲ電力トランスミッタから使用可能な量の電力を無線受電するように構成された周辺デバイスを説明する方法、システム及び装置である。

一実施形態において、共振周波数ω_Ｔを有する近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）トランスミッタユニットにより提供される磁界から無線受電される最小の電力を少なくともデバイスに提供するように構成された無線電力ユニットであり、デバイスに出力される前記最小の電力は磁界に対するポータブル電力ユニットの空間方位に依存しない。無線電力ユニットは、共振周波数ω_１及び特徴サイズＬ_１を有する第１の共振器構造と、共振周波数ω_２及び特徴サイズＬ_２を有する第２の共振器構造であり、第１の共振器構造と第２の共振器構造との間の有効磁気結合係数κ_ｅｆｆが約ゼロであるように第１の共振器構造及び第２の共振器構造が磁気的に分離される第２の共振器構造と、磁気的に分離された第１の共振器構造及び第２の共振器構造に結合され、第１の共振器構造及び第２の共振器構造とデバイスとを負荷整合し、第１の共振器構造及び第２の共振器構造からの電力を負荷平衡し、ＮＦＭＲ磁界に対する少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバの方位に関係なくデバイスが無線電力ユニットから少なくとも最小の電力を無線受電するようにＮＦＭＲ磁界に対する無線電力ユニットの空間方位に関係なく第１の共振器構造と第２の共振器構造との間の有効磁気結合係数を約ゼロに維持するように構成された電力合成回路とを少なくとも含む。

別の実施形態において、ＮＦＭＲ電力トランスミッタから電力を無線受電するように構成された周辺デバイスを説明する。周辺デバイスは、少なくとも２つの磁気的に分離されたＮＦＭＲ充電器を有する受電ユニットを少なくとも含む。換言すると、少なくとも２つの磁気的に分離されたＮＦＭＲ充電器間の結合係数は、ＮＦＭＲ電力トランスミッタにより生成された磁界に対する受電ユニットの空間方位に関係なく約ゼロである。このように、ＮＦＭＲ電力トランスミッタ及び周辺デバイスにより生成された磁界の相対方位に関係なく、使用可能な量の電力が周辺デバイスにおいてＮＦＭＲ電力トランスミッタから受電される。

一実施形態において、周辺デバイスは、コンピュータマウス等のユーザ入力デバイスであり、ＮＦＭＲ電力トランスミッタは、コンピュータマウスと通信しているコンピューティングシステムに組み込まれる。更に受電ユニットにおける磁気的に分離されたＮＦＭＲレシーバは、ある例では約９０°で互いに重なり合い且つ他の例では互いに直交するが重なり合わない長手軸を有する従来のバッテリユニットに適合する形状及びサイズを有する。

別の実施形態において、使用可能な電力を提供するように構成された小さいフォームファクタの無線電力ユニット。小さいフォームファクタの無線電力ユニットは、共振電力コイルがＮＦＭＲトランスミッタの共振周波数で動作するように構成される場合に電力転送チャネルにより電源と結合された近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）トランスミッタから電力を受電するように構成された共振電力コイルを少なくとも含み、小さいフォームファクタの無線電力ユニットは、周辺デバイスの電池室内に収まるようにサイズ変更される。

説明する実施形態の一態様において、周辺ユニットは、互いに垂直に構成される少なくとも３つのＮＦＭＲレシーバを含む。このように、周辺デバイスは、ＮＦＭＲ電力トランスミッタから無線受電した電力の実質的な損失なしでいずれかの３次元空間体積において移動可能である。

説明する実施形態の他の装置、方法、特徴及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を考察することにより当業者には明らかとなるだろう。全てのそのような追加の装置、方法、特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲により保護される範囲内の本説明に含まれることを目的とする。

含まれる図面は、例示する目的のためであり、開示される実施形態に対する可能な構造及び構成の例のみを提供する。これらの図面は、実施形態の趣旨の範囲から逸脱せずに説明する実施形態に対して当業者により行われてもよい形態及び詳細のあらゆる変更を限定しない。

閉ループの空間方位と磁束との間の関係を示す図。 閉ループの空間方位と磁束との間の関係を示す図。 閉ループの空間方位と磁束との間の関係を示す図。 誘導電圧又はＥＭＦと空間方位角度θとの間の関係を示すグラフ。 空間方位に依存する出力電圧を有する電源ユニットを示す図。 空間方位に依存する出力電圧を有する電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 実施形態による共振レシーバの種々の構成を有する方位に依存しない電源ユニットを示す図。 説明する実施形態に係る複数の共振レシーバの間の電力を合成するのに適した合成回路の種々の実施形態を示す機能ブロック図。 説明する実施形態に係る複数の共振レシーバの間の電力を合成するのに適した合成回路の種々の実施形態を示す機能ブロック図。 説明する実施形態に係る複数の共振レシーバの間の電力を合成するのに適した合成回路の種々の実施形態を示す機能ブロック図。 図６Ａに示す電力共有回路の特定の実現例を示す図。 説明する実施形態に係る複数の独立した共振レシーバを有する複数周波数共振電力ユニットを示す図。 説明する実施形態に係る図８の合成器ユニットにより実行される方法の詳細を示すフローチャート。 磁界から受電される電力を提供する小さいフォームファクタの無線電力ユニットを有する代表的な周辺デバイスを示す図。 磁界から受電される電力を提供する小さいフォームファクタの無線電力ユニットを有する代表的な周辺デバイスを示す図。 説明する実施形態に係る分散システムを示す図。 説明する実施形態に係るコンピューティングシステムを示す図。

無線で電力供給されるローカルコンピューティング環境の種々の実施形態について説明する。無線電力供給ローカルコンピューティング環境は、少なくとも適切に構成された多くのデバイスのいずれかに電力を無線提供するように構成された近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）電源を含む。説明する実施形態において、ＮＦＭＲ電源から電力を無線受電するように構成されたデバイスは、ＮＦＭＲ電源伝送デバイスの特徴サイズの数倍である可能性がある距離Ｄ程度だけ拡張する近接場として既知の領域に配置される。一般に、距離Ｄは１ｍのオーダであってよい。

この説明の状況において、使用可能な電力が磁界により一時的に結合される無線トランスミッタ及びレシーバにより無線伝送可能であることは周知である。特に、説明する実施形態に係るシステムは、外部電源から有用な量の電力を無線受電できる周辺デバイスに組み込まれるか又は電気的に結合される無線レシーバを含むことができる。説明するシステムにおいて、無線レシーバは、第１の共振周波数ω_１、第１のＱ因子Ｑ_１（電力転送効率の尺度）及び第１の特徴サイズＬ_１を有する第１の共振器構造を含むことができる。例えば、周辺デバイスがコンピュータマウス又は他の入力デバイスの形態をとるコンピューティングシステムの状況において、特徴サイズＬ_１は数インチ又は数センチメートルのオーダであってもよい。システムは、第２の共振周波数ω_２、第２のＱ因子Ｑ_２及び第２の特徴サイズＬ_２を有する第１の共振器構造から可変距離ｄに位置する第２の共振器構造に結合された電源を更に含むことができる。例えば第２の共振器構造は、デスクトップコンピュータ又はラップトップコンピュータ等のコンピュータ内に組み込まれる。このように、充電領域は、周辺デバイス（又はあらゆる他の適切に構成されたデバイス）が第２の共振器構造を介して電源から有用な量の電力を無線受電できるコンピュータ周辺に形成される。

第１の共振周波数ω_１及び第２の共振周波数ω_２が互いに近い場合、第１の共振器構造と第２の共振器構造との間の結合領域が形成される。この結合領域内において、有用な電力は、第２の共振器構造により提供される磁界の共振場エバネッセントテールを利用する非放射エネルギー転送機構により転送される。例えば第１の共振器構造がコンピュータマウス等の周辺デバイスに組み込まれる場合、コンピュータマウスは、電源に接合された第２の共振器構造から電力を少なくとも部分的に供給される。このように、周辺デバイスは、コンピューティングデバイスにおいて提供される電源以外、別個の電源を必要とせずに無線モードで動作可能である。周辺デバイスに出力される電力量及びその期間は、多くの因子に大きく依存しうる。例えば第１の共振器構造と第２の共振器構造との間の結合は、第１の磁気共鳴構造及び可変距離ｄにより生成される磁界及び第２の共振器構造の空間方位に依存しうる。

空間方位への依存性を回避するため又は少なくとも低減するため、説明する実施形態における周辺デバイスは、互いに対して異なる空間方位を有する複数の個々の共振器を内蔵する受電ユニットを含むことができる。このように、受電ユニットで無線受電される電力は、第２の共振器構造により生成される磁界（以下、ＮＦＭＲ磁界と呼ぶ）に対する周辺デバイスのあらゆる移動に実質的に依存しなくてよい。しかし、個々の共振器の各々は、ＮＦＭＲ磁界に応答して自身で磁界を生成でき、その結果、他の個々の共振器と結合可能になる。受電ユニットにおける個々の共振器間の結合は、強い磁気結合がある場合に磁気結合が殆どないか又は全くないゼロ（０）から約１までの範囲を取りうる結合係数κにより特徴付けられる。個々の共振器が強結合されるそれら構成において、各共振器は他の共振器にかなりの影響を及ぼす可能性があり、受電ユニット全体の性能に影響を及ぼす。従って、２つ以上の個々の共振器を有するそれら受電ユニットにとって、２つ以上の共振器間の結合係数κが実現可能な限りゼロに近いのが有利だろう。特にこれは、電源からエネルギーを転送するために使用されるＮＦＭＲ磁界と共振器構造との間の相対的な方位が大きく変動する可能性がある充電領域内で移動可能は周辺デバイスに当てはまる。

従って、一実施形態において、無線電力供給ローカルコンピューティング環境について説明する。無線電力供給ローカルコンピューティング環境は、近接場距離Ｄ（ＮＦＭＲ電源トランスミッタにより伝送される磁界の最も外側の無線範囲を規定する）内で使用可能なエネルギーを共振回路に転送するために共振チャネルを使用するように構成されたＮＦＭＲ無線電源と、処理リソースをＮＦＭＲ電源に提供する中央処理装置とを含むことができる。また、ローカルコンピューティング環境は、ＮＦＭＲ電力トランスミッタから電力を無線受電するように構成されたローカルコンピューティング環境内で自由に移動できる周辺デバイスも含む。周辺デバイスは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを提供するために互いに電気結合される個々の共振器の形態で少なくとも２つの磁気的に分離されたＮＦＭＲレシーバを有する受電ユニットを少なくとも含むことができる。レシーバ共振器間の磁気結合係数κが約ゼロであるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、ＮＦＭＲ磁界に対する周辺デバイスの空間方位に実質的に依存しない。このように、周辺デバイスは、その方位に関係なくＮＦＭＲ電源から使用可能な量の電力を無線受電できる。

これらの実施形態及び他の実施形態について、図１〜図９を参照して以下に説明する。しかし、これら図面を参照して提供される詳細な説明は、説明の目的で与えられ、限定するものとして解釈されるべきでないことが当業者には容易に理解されるだろう。

受電ユニットにおける個々の共振器間の磁気結合は、システム１００として図１Ａに示すような閉曲線周辺で単位電荷ｑを移動する仕事量として起電力（ＥＭＦ）又は電圧を規定するファラデーの電磁誘導の法則又はより簡単にはファラデーの法則を使用して説明できる。ファラデーの法則によると、閉ループパス１０２の周辺で生成されたＥＭＦは、閉ループパス１０２により囲まれ且つ法線ベクトルＡを有する面Ａと関連付けられた磁束Φの変化（ｄΦ／ｄｔ）の時間速度に比例する。このように、面Ａを通る磁束Φ_Ｂが変化した時、電流はあらゆる閉回路において誘導される。起電力（又は電圧）と磁束の変化との間の関係は、式（１）の形式のファラデーの法則の微分形式を満足できる。
ε＝−Ｎ（ｄΦ_Ｂ／ｄｔ） 式（１）
式中、εは、各々が同一の断面積を有するＮ個の導電閉ループのうちの１つの面積Ａ内に含まれる磁束ΦＢの変化により生じる起電力又は電圧である。

磁束Φ_Ｂは、式（２）に従って閉ループパス１０２により規定された面Ａに対応する法線ベクトルＡ及び磁界ベクトルＢに関連するスカラーである。
Φ_Ｂ＝Ｂ・Ａ 式（２）
式中、Ｂは磁界ベクトルであり、Ａは閉ループ１０２により囲まれた面Ａの法線ベクトルであり、Ｂ・Ａはドット積ベクトルＢ及びＡ、あるいはスカラー形式でＡＢｃｏｓ（θ）である。

従って、磁束Φ_Ｂは方位角度θの余弦として変動する。ここで、方位角度θは、図１Ｂ及び図１Ｃに示す法線ベクトルＡ及び磁界ベクトルＢの空間方位を表す。式（２）によると、図１Ｂに示すように、磁界ベクトルＢ及び法線ベクトルＡが互いに位置合わせされる（すなわち、角度θがゼロであるため、ｃｏｓ（θ）が１である）場合、磁束Φ_Ｂは最大値であり、従って、磁束Φ_Ｂのあらゆる変化の結果、最大ＥＭＦ（ε）又は閉ループ１０２で誘導される電圧が得られる。いずれか２つの個々の導電ループ間の結合係数κを特徴付けるために使用されるのはこの誘導電圧である。尚、方位角度θが０から変動して９０°（又はπ／２ラジアン）に近づくと、図１Ｃに示すように、磁束Φ_Ｂは最大磁束Φ_Ｂｍａｘからゼロになる。従って、図２に示すように、式（１）及び式（２）を使用して、誘導電圧又はＥＭＦは、磁束Φ_Ｂとほぼ同様に方位角度θに関連する。このように、共振器間の磁気結合係数κは、空間方位に対して無線電力ユニットの全体の性能を実質的な程度まで判定する。

図３Ａは、約１．０の値（強結合係数を示す）の磁気結合係数κ及びＮＦＭＲ磁界ＢＮＦＭＲに対する空間方位角度θを有する第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４を有する無線電力ユニット３００を示す。この構成において、２つの共振器間の磁気結合の効果は、一方の共振器で生成される電圧が他方の共振器で生成される電圧を効果的に相殺できる程十分に強い。この例において、簡潔にするために、共振器３０２及び３０４は、共通の電位（システムＧＮＤ）において一端を終端し且つそれぞれ電圧Ｖ_１及びＶ_２を提供する終端ノード３０８及び３１０において他端を終端する導電線３０６のＮ個のループを含む特徴長さＬを有する円筒形を有することができる。無線電力ユニット３００は、電圧Ｖ_１及びＶ_２の差分として出力電圧Ｖ_ｏｕｔを提供できる。この構成において、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、第１の共振器３０２と第２の共振器３０４との間の固有の結合（磁気結合係数κ≒１．０により特徴付けられる）並びにＮＦＭＲ磁界ＢＮＦＭＲに対する無線電力ユニット３００の空間方位に依存する。特に、第２の共振器３０４と磁気結合する第１の共振器３０２により生成されるあらゆる磁界は、結果として、第１の共振器３０２において誘導される電圧と極性が反対であり且つ大きさがほぼ等しい第２の共振器３０４において誘導される電圧となる。

特に第１の共振器３０２は、磁界ＢＮＦＭＲと共振して磁界Ｂ_１を生成する。磁気結合係数κ≒１．０であるため、第１の共振器３０２により生成されるあらゆる磁界は、第２の共振器３０４と磁気結合する（その逆も同様である）。例えば図３Ｂに示すように、磁界Ｂ１は、第２の共振器３０４と相互作用し、ノード３０８における電圧Ｖ１と位相が１８０°ずれており且つ大きさが等しいノード３１０における電圧Ｖ２（換言すると、Ｖ１＝−Ｖ２）を誘導する。その結果、図３Ｂに示すように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔはヌル値となり、これは明らかに受け入れられない。

従って、第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４の方位及び位置を互いに対して変更することにより、共振器間の磁気結合は実質的に低下される。換言すると、第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４の方位付け及び位置付けの結果、第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４を有効に磁気的に分離することになり、この場合、有効な磁気結合係数κｅｆｆはゼロに近づくことが可能である。例えば図４Ａは、第１の共振器３０２と第２の共振器３０４との間のあらゆる磁気結合の正味効果が互いに有効に相殺し合い、磁気結合のない状況をシミュレートすることを意味する有効磁気結合係数κｅｆｆ≒０を有するものとして特徴付けられる説明する実施形態に係る無線電源４００を示す。特に第１の共振器３０２が磁界ＢＮＦＭＲと共振する場合、誘導された磁界Ｂ１は第１の共振器３０２に生成されることになる。しかし、第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４が強結合される状況とは異なり、磁界Ｂ_１からの磁力線は第２の共振器３０４と約９０°で交差する。このように、式（２）によると、磁束Φ及び従って第２の共振器３０４において生成されるいずれのＥＭＦも約ゼロである。

図４Ｂは、第２の共振器３０４が誘導磁界Ｂ_２を生成する磁界ＢＮＦＭＲと共振する別の状況を示す。この状況において、誘導磁界Ｂ_２は、共振器３０２の第１の部分３０２−１と相互作用し、電圧Ｖ_Ａを誘導する。同時に、誘導磁界Ｂ２は共振器３０２の第２の部分３０２−２と相互作用し、レンツの法則（右手の法則として既知である）に従ってＶ_Ａと大きさは等しいが極性が反対である電圧Ｖ_Ｂを誘導する。このように、第１の共振器３０２において誘導されるいずれの電圧Ｖ_Ａ及びＶ_Ｂも互いに有効に相殺し合い、結果として、全ての方位角度θに対して約ゼロの有効磁気結合係数κｅｆｆをシミュレートする第１の共振器３０２における正味誘導電圧を生じない。

図５Ａは、第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４が十字型構成で垂直に配置される無線電源５００の形態で方位に依存しない無線電源４００の別の実施形態を示す。この構成において、第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４の双方の中点は一致し、Ｚ方向に距離「ｒ」だけずれている。このように、第１の共振器３０２により生成される磁界の磁力線は第２の共振器３０４と９０°で交差し、結果として約ゼロである第２の共振器３０４に対する磁束Φ３０４を与える。図４Ａに関して上述した状況と同様に、生成される正味ＥＭＦはゼロであり、結果として有効磁気結合係数κｅｆｆ≒０を与える。図５Ｂは、第１の共振器３０２に対して第２の共振器３０４の同等の状況を示す。このように、第１の共振器３０２に対して第２の共振器により生成される磁界Ｂ２の対称特性は、結果として有効結合係数結合κｅｆｆ≒０を与える。図５Ｃは、それぞれが有効磁気結合係数κｅｆｆ≒０を維持するほぼ同等の部分３０２ａ及び３０２ｂ並びに３０４ａ及び３０４ｂに分割される第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４の追加の構成を示す。図５Ｄは、共振器３０２又は３０４の一方又は他方がほぼ同等の部分に分割される第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４の追加の構成を示す。例えば図示するように、第２の共振器３０４は、ほぼ同等の部分３０４ａ及び３０４ｂに分割され、第１の共振器３０２に対して有効磁気結合係数κｅｆｆ≒０を維持するように構成される。図５Ｅ及び図５Ｆは、説明する実施形態に従って第１の共振器３０２及び第２の共振器３０４の種々の構成を有するコンピュータマウス５００の形態で代表的な周辺デバイスを示す。

しかし、２つ以上の共振レシーバを有する磁気共鳴電力ユニットの場合、レシーバに対する磁気結合係数κｅｆｆ≒０はそれらの電力を付加的に合成できる第一段階にすぎないことを保証する。特に各レシーバに取り付けられた共振回路は、別のレシーバの共振回路から絶縁され且つロードデバイスに対して負荷分割能力を提供することが要求される。図６Ａは、説明する実施形態に従って複数の共振レシーバから電力を転送するために使用可能である合成回路６００の特定の一実施形態を示す機能ブロック図である。特に、レシーバ３０２及び３０４の各々は合成回路６００の対応する分岐に個々に結合される。例えばレシーバ３０２は、デバイス６０４とレシーバ３０２との間のインピーダンスを整合させるように構成されたインピーダンス整合ネットワーク６０２を少なくとも含むことができる第１の分岐６００−１に結合される。整流回路６０６は、レシーバ３０２からの変動する信号（ＡＣ信号６０８等）をＯＲ回路６１２に入力として提供されるＤＣ信号６１０に変換するために使用される。同様に、レシーバ３０４は、インピーダンス整合ネットワーク６１６とＯＲ回路６１２に入力として提供されるＤＣ信号６２０を出力する整流回路６１８とを含むことができる分岐６００−２に電気結合される。説明する実施形態において、ＯＲ回路６１２は、相対的に連続して電力Ｐがデバイス６０４に提供されるように負荷平衡として動作可能である。換言すると、レシーバ３０２がレシーバ３０４より多くの電力を磁界ＢＮＦＲＭから受電している場合、ＯＲ回路６１２は、レシーバ３０２がレシーバ３０４より多くの電力をデバイス６０４に提供することを可能にし、またその逆も同様である。

図６Ｂは、ダイオード６２２及び６２４で形成されたＯＲ回路６１２の特定の一実現例を示す。一方、図６Ｃは、整流されたＤＣ電圧６０８及び６２０の形態で分岐６００−１及び６００−２から受け取ったエネルギーを一時的に格納するように構成されたエネルギー格納要素６２６及び６２８を含むＯＲ回路６１２の更に別の実現例を示す。一実施形態において、エネルギー格納要素６２６及び６２８は、コンデンサ６２６及び６２８の形態をとることができる。負荷平衡スイッチ６３０及び６３２は、均一な電力をデバイス６０４に提供する共振器３０２と共振器３０４との間の適切な負荷平衡を保証するために使用される。

図７は、共振レシーバ３０２及び３０４並びに電力共有回路６００のモデル７００を示す。特に、レシーバ３０２及び３０４の各々は、インダクタＬ７０２及び直列抵抗Ｒ７０４としてモデル化される。インピーダンス整合ネットワークは、レシーバ負荷Ｒ_Ｒをデバイス負荷Ｒ_Ｌと整合させるように構成された静電容量Ｃ１及びＣ２としてモデル化される。フルブリッジ整流器７０６は、トランスミッタ３０２及び３０４からのＡＣ信号をデバイス６０６により使用されるＤＣ信号に変換するために使用される。

図８は、説明する実施形態に従って複数の個別の共振レシーバ８０２−１、８０２−２、・・・、８０２−ｎを有する複数周波数共振電力ユニット８００を示す。説明する実施形態において、個別の共振レシーバ８０２−１、８０２−２、・・・、８０２−ｎは、それぞれ異なる周波数帯域で最も効果的に動作するように構成される。この構成は、例えば異なる国が電力を無線提供するために使用する有限の数の周波数帯域を放置する地方条例のために特定の周波数帯域の使用を制約する可能性があるような状況において有用となりうる。従って、複数レシーバ電力ユニット８００は、各々が特定の周波数帯域で最も効果的にＮＦＭＲ磁界から受電するように構成される複数の受電共振器を含むように構成される。例えば共振レシーバ８０２−１は、周波数ω_１で浸されるＮＦＭＲ磁界から最も効果的に受電するように構成される。一方、共振レシーバ８０２−２は、周波数ω_２で浸されるＮＦＭＲ磁界から最も効果的に受電するように構成される。いずれの場合においても、電力合成器ユニット８０４は、使用可能な電力が周波数ω１及びω２で受電されている状況においてレシーバの電力を合成するために使用される。

しかし、電力が周波数ω１又は周波数ω２でＮＦＭＲ磁界から受電される状況において、合成器ユニット８０４は、共振レシーバ（共振レシーバ８０２−１又は共振レシーバ８０２−２）が動作しているか又は少なくとも閾値より大きい電力量を受電しているかを選択するために使用される。この状況において、合成器ユニット８０４は、共振レシーバ８０２−１及び８０２−２で受電されている電力量を検知でき、比較に基づいて、回路に電力を提供するために適切な共振レシーバを選択できる。一実施形態において、ＮＦＭＲ磁界と相互作用する際に最も効果的だと考えられる共振レシーバ（例えば、受電した実際の電力量に基づいて）が選択される。ＮＦＭＲ磁界との相互作用の有効性は、一方又は他方の共振レシーバにおける誘導磁束量に基づく可能性がある。尚、検知及び選択は進行中であり、リアルタイムで実行可能である。このように、複数の共振レシーバは、物理的に互いに近接して配置可能であり、結果として有効磁気結合係数κｅｆｆ＞０を与える。

図９は、本発明の一実施形態に係る合成器ユニット８０４により実行される処理９００を詳細に示すフローチャートである。処理９００は、各々が互いに異なる特定の共振周波数でＮＦＭＲ磁界から受電するように構成される少なくとも２つの共振レシーバから受電される電力を合成器ユニットが検知することにより９０２で開始可能である。９０４において、合成器ユニットは、検知した共振レシーバのうち最大電力を提供している共振レシーバを識別する。９０６において、合成器ユニットは、識別した共振レシーバから電力を提供する。

図１０は、説明する実施形態に従ってコンピュータキーボード１０００の形態で代表的な周辺デバイスを示す。コンピュータマウス１０００は、各々が磁界Ｂから無線受電できる第１の小さいフォームファクタの無線電力ユニット１００２及び第２の小さいフォームの無線電力ユニット１００４を少なくとも含むことができる。説明する実施形態において、磁界Ｂは、例えばデスクトップコンピュータ等のコンピューティングデバイス１００８に組み込まれた磁気トランスミッタユニット１００６により提供される。最も近い将来の動作例の間、キーボード１０００は、前向きに取り付ける構成でデスクトップコンピュータ１００８に対して位置付けられるだろう。このように、小さいフォームファクタの無線電力ユニット１００２及び１００４を磁気的に分離する必要がないため、双方がキーボード１０００を動作させるために使用可能な電力を同時に提供できる。小さいフォームファクタの無線電力ユニット１００２及び１００４が標準的なＡＡＡバッテリの線に沿ってサイズ変更可能であるため、小さいフォームファクタの無線電力ユニット１００２及び１００４（又は必要に応じて一方のみ）は図１１に示すようにキーボード１０００の電池室１０１０に収納される。このように、小さいフォームファクタの無線電源１００２及び１００４は、標準的なＡＡＡバッテリの線に沿って従来のバッテリを系統的に置換するために使用される。尚、小さいフォームファクタの無線電力ユニット１００２及び１００４があらゆるサイズ及び形状のものであってよいため、あらゆるサイズ又は構成のあらゆるバッテリが小さいフォームファクタの電力ユニット１００２及び１００４により置換できることが考えられる。

図１２は、説明する実施形態に係る代表的な仮想充電エリア１１００を示す。仮想充電エリア１１００は、領域Ｒ内に配置された適切に構成されたデバイスに対する充電の領域Ｒを提供する。ＮＦＭＲ電源は、デスクトップコンピュータ等の中央ユニットに配置される。このように、デスクトップコンピュータは、コンピューティングリソースをＮＦＭＲ電源に提供できる。尚、近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）電源は、電力を転送するための電源及びシンクの共振の間に形成される共振チャネルにより近接場磁気結合に依存する高いＱの回路を含むことができる。ＮＦＭＲ電源は、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ及びタブレットコンピュータ等に含まれるようなスタンドアロンユニットであってよい。他の実施形態において、ＮＦＭＲ電源は、デスクトップコンピュータ等のレガシーデバイスに接続可能なドングル等の携帯型ユニットの形態をとることができる。更に他の実施形態において、ＮＦＭＲ電源を含むために使用される筐体又は筐体の一部は、ＮＦＭＲ電源の有用な範囲を拡張できる。

図１２に示すように、仮想充電エリア１１００は、ＮＦＭＲ電源を含むことができる中央ユニット１１０２（デスクトップコンピュータ）と、キーボード１１０４と、マウス１１０６と、ポータブルメディアプレーヤ１１０８を含む。一実施形態において、マウス１１０６及びポータブルメディアプレーヤ１１０８と同様に、キーボード１１０４は、デスクトップコンピュータ１１０２に含まれるＮＦＭＲ電源から直接受電するように構成される（範囲Ｒ内に配置される場合）。

いくつかの例において、例えば電力をマウス１１０８に直接提供するデスクトップコンピュータ１１０２の能力は、１つ又は複数の因子により低減されうる。そのような因子は、例えばＮＦＭＲ電源からの電力を要求する他のデバイスの領域Ｒへの追加及びＮＦＭＲとマウス１１０６との間に形成された直接電力チャネルに干渉する障害物等を含んでよい。この場合、キーボード１１０４は、ＮＦＭＲ電源からキーボード１１０４に出力される電力の一部がキーボード１１０４の再共振器伝送ユニット（不図示）により渡されるような再共振器として動作可能である。このように、マウス１１０６が受けるあらゆる電力損は、キーボード１１０４から受電される電力により改善される。この構成は、一時的であるか、あるいはマウス１１０６がＮＦＭＲ電源から十分な電力を直接受電できない限り継続可能である。他の例において、領域Ｒ内のポータブルメディアプレーヤ１１０８の位置特定により、キーボード１１０４及びマウス１１０６が利用可能な電力量は減少される。この場合、キーボード１１０６のバッテリがフル充電されている場合（あるいは、追加の充電が不要である場合）、キーボード１１０６は、マウス１１０６に電力を提供する再共振器回路を依然として維持しつつ充電回路を分離できる。

いくつかの実施形態において、ドングル１１１０は、デスクトップコンピュータ１１０２に接続可能である（例えば、ＵＳＢポート又はケーブルにより）。接続されるため、ドングル１１１０はＮＦＭＲ電源に対して範囲を拡張するものとして動作可能である。このように、ドングル１１１０は、電力がデスクトップコンピュータ１１０２に含まれるＮＦＭＲ電源により提供される範囲を拡張できる。いくつかの例において、ドングル１１１０はＮＦＭＲ電源から既に受電された電力を再共振でき、他の例において、ドングル１１１０は自身のＮＦＭＲ電源を含むことができる。自信のＮＦＭＲ電源を有することにより、ドングル１１１０は、デスクトップ１１０２に含まれるＮＦＭＲ電源により提供される電力とは別に仮想充電領域１１００内のデバイスに追加の電力を無線提供できる。尚、いくつかの実施形態において、デスクトップコンピュータ１１０２の筐体（又はその一部）は、ＮＦＭＲ電源の一部である共振器として使用される。

図１３は、説明する実施形態に係るコンピューティングシステム１２００を示すブロック図である。コンピューティングシステム１２００は、コンピューティングシステム１２００の全体の動作を制御するマイクロプロセッサ又は制御器に関係するプロセッサ１２０２を含む。コンピューティングシステム１２００は、メディア項目に関係するデータを例えばファイルシステム１２０４及びキャッシュ１２０６に格納する。一般にファイルシステム１２０４は、記憶ディスク又は複数のディスクである。一般にファイルシステムは、コンピューティングシステム１２００に対して大容量記憶能力を提供する。しかし、ファイルシステム１２０４に対するアクセス時間が相対的に遅いため、コンピューティングシステム１２００はキャッシュ１２０６を更に含む。例えばキャッシュ１２０６は、半導体メモリにより提供されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）である。キャッシュ１２０６への相対的なアクセス時間は、ファイルシステム１２０４より実質的に短い。しかし、キャッシュ１２０６はファイルシステム１２０４の大容量記憶能力を有さない。更にファイルシステム１２０４は、稼働中の場合、キャッシュ１２０６より多くの電力を消費する。消費電力は、コンピューティングシステム１２００がバッテリ（不図示）により電力供給されるポータブルメディアプレーヤである場合に特に重要である。

コンピューティングシステム１２００は、コンピューティングシステム１２００のユーザがコンピューティングシステム１２００と対話することを可能にするユーザ入力デバイス１２０８を更に含む。例えばユーザ入力デバイス１２０８は、ボタン、キーパッド、ダイヤル等の種々の形態をとることができる。また、コンピューティングシステム１２００は、少なくともファイルシステム１２０４、キャッシュ１２０６、プロセッサ１２０２及びＣＯＤＥＣ１２１２の間のデータ転送を容易にできるデータバス１２１０を含む。

一実施形態において、コンピューティングシステム１２００は、複数のメディア項目（例えば、曲）をファイルシステム１２０４に格納する。ユーザがメディアプレーヤに特定のメディア項目を再生させたい場合、利用可能なメディア項目のリストがディスプレイ１２１０に表示される。その後、ユーザ入力デバイス１２０８を使用して、ユーザは利用可能なメディア項目のうちの１つを選択できる。特定のメディア項目の選択を受信すると、プロセッサ１２０２は特定のメディア項目に対するメディアデータ（例えば、オーディオファイル）を符号器／復号器（ＣＯＤＥＣ）１２１２に供給する。ＣＯＤＥＣ１２１２は、オーディオジャック１２１４に対するオーディオ出力信号を生成し、外部回路に出力する。例えばコンピューティングシステム１２００に接続するヘッドホン又はイヤホンは、外部回路の一例と考えられるだろう。別の実施形態において、コンピュータプログラム命令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。

説明する実施形態の種々の態様、実施形態、実現例又は特徴は、別個に又は組み合わせて使用可能である。説明する実施形態の種々の態様は、ソフトウェア、ハードウェア、あるいはハードウェア及びソフトウェアの組み合わせにより実現される。説明する実施形態は、製造動作を制御するコンピュータ可読媒体のコンピュータ可読コードとして、あるいは製造ラインを制御するコンピュータ可読媒体のコンピュータ可読コードとして具体化される。コンピュータ可読媒体は、コンピュータシステムにより読み出されるデータを格納できるあらゆるデータ記憶装置である。コンピュータ可読媒体の例は、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、磁気テープ及び光学データ記憶装置を含む。更にコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読コードが分散して格納及び実行されるようにネットワーク結合コンピュータシステムにわたり分散可能である。

説明の目的で、説明する実施形態を完全に理解するために特定の専門用語が上記説明において使用された。しかし、本発明を実施するために特定の詳細が不要であることは当業者には明らかだろう。従って、特定の実施形態の上記説明は、例示及び説明の目的で提示される。それらは、本発明を網羅するか又は本発明を開示された厳密な形態に限定することを意図しない。多くの変更及び変形が上記教示を考慮して可能であることは当業者には明らかとなるだろう。

Claims (41)

1. 共振周波数ω_Ｔを有する近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）トランスミッタユニットにより提供される磁界から無線受電される最小の電力を少なくともデバイスに提供するように構成された無線電力ユニットであり、前記デバイスに出力される前記最小の電力が前記磁界に対する前記ポータブル電力ユニットの空間方位に依存しない無線電力ユニットであって、
   共振周波数ω_１及び特徴サイズＬ_１を有する第１の共振器構造と、
   共振周波数ω_２及び特徴サイズＬ_２を有する第２の共振器構造であって、前記第１の共振器構造と前記第２の共振器構造との間の有効磁気結合係数κｅｆｆが約ゼロであるように前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造が磁気的に分離される前記第２の共振器構造と、
   前記磁気的に分離された第１の共振器構造及び第２の共振器構造に結合された電力合成回路と、
   を備え、
   前記電力合成回路は、
   前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造と前記デバイスとを負荷整合し、
   前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造からの電力を負荷平衡し、
   前記ＮＦＭＲ磁界に対する少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバの方位に関係なく前記デバイスが前記無線電力ユニットから前記少なくとも最小の電力を無線受電するように、前記ＮＦＭＲ磁界に対する前記無線電力ユニットの空間方位に関係なく前記第１の共振器構造と前記第２の共振器構造との間の有効磁気結合係数を約ゼロに維持するように構成されることを特徴とする無線電力ユニット。
2. 前記無線トランスミッタユニットにより提供される前記磁界に対する前記ポータブル電力ユニットの前記空間方位に関係なく、前記第１の共振器構造と前記第２の共振器構造との間の前記有効磁気結合係数κｅｆｆが約ゼロであるように、前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造は、前記無線電力ユニット内で互いに対する位置に固定されることを特徴とする請求項１記載の無線電力ユニット。
3. 前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造の少なくとも一方が前記ＮＦＭＲトランスミッタユニットに対して同調状態である場合、前記無線トランスミッタユニット、前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造の間の非放射電力転送は、前記第１の共振器構造と前記第２の共振器構造との間の磁気共鳴結合により仲介されることを特徴とする請求項１記載の無線電力ユニット。
4. 前記第１の共振周波数ω_１及び前記無線トランスミッタ共振周波数ω_Ｔが３ｄｂ以下の帯域幅により分離される場合、前記第１の共振器構造は同調状態にあることを特徴とする請求項３記載の無線電力ユニット。
5. 前記第２の共振周波数ω_２及び前記無線トランスミッタ共振周波数ω_Ｔが３ｄｂ以下の帯域幅により分離される場合、前記第２の共振器構造は同調状態にあることを特徴とする請求項４記載の無線電力ユニット。
6. 前記第１の共振器構造は、
   第１の共振コイルを備え、
   前記第１の共振コイルは、
   第１の中央コア領域と、
   円筒形の中央コア領域の周囲に巻き付けられた連続した導電材料の第１の複数のループと、
   を備えることを特徴とする請求項５記載の無線電力ユニット。
7. 前記第２の共振器構造は、
   第２の共振コイルを備え、
   前記第２の共振コイルは、
   第２の中央コア領域と、
   円筒形の中央コア領域の周囲に巻き付けられた連続した導電材料の第２の複数のループと、
   を備え、
   前記第１の共振コイルにおいて誘導された第１のＥＭＦは前記第２の共振コイルにおけるＥＭＦ全体を誘導しないことを特徴とする請求項６記載の無線電力ユニット。
8. 前記第１の共振コイルの長さは、前記特徴サイズＬ_１に依存することを特徴とする請求項６記載の無線電力ユニット。
9. 前記第２の共振コイルの長さは、前記特徴サイズＬ_２に依存することを特徴とする請求項６記載の無線電力ユニット。
10. 前記第１の共振コイルの長手軸は、前記第２の共振コイルの長手軸に垂直であることを特徴とする請求項９記載の無線電力ユニット。
11. 第１の構成において、前記第１の共振コイルの第１の端部は、前記第２の共振コイルの前記長手軸の中点に近接し且つ同一平面上にあることを特徴とする請求項１０記載の無線電力ユニット。
12. 前記電力合成ユニットは、
    レシーバインピーダンスを負荷インピーダンスと整合させるように構成された前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造に接続されたインピーダンス整合ネットワークと、
    前記インピーダンス整合ネットワークからＡＣ信号を受信し且つ前記ＡＣ信号をＤＣ信号に変換するように構成された整流回路と、
    前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造と前記デバイスとの間に負荷平衡機能を提供するように構成されたＯＲ回路と、
    を備えることを特徴とする請求項１記載の無線電力ユニット。
13. 前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造は、それぞれインダクタンス値Ｌ_１及び直列抵抗Ｒ_ｓを有するインダクタとしてモデル化されることを特徴とする請求項１２記載の無線電力ユニット。
14. 前記インピーダンス整合回路は、
    第１の静電容量値Ｃ_１を有する第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサと並列に接続された第２の静電容量値Ｃ_２を有する第２のコンデンサと、を備える容量性ネットワークを備え、
    前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造がＮＦＭＲトランスミッタと同調される場合、前記レシーバインダクタは、前記容量性ネットワークと共振して前記デバイスの負荷抵抗及び前記レシーバの負荷抵抗を整合させることを特徴とする請求項１３記載の無線電力ユニット。
15. 前記整流回路は、複数のダイオードを更に備えるフルブリッジ整流器回路を備えることを特徴とする請求項１４記載の無線電力ユニット。
16. 前記ＯＲ回路は少なくとも１つのダイオードを備えることを特徴とする請求項１５記載の無線電力ユニット。
17. 前記第１の共振器構造及び前記第２の共振器構造は、前記ＯＲ回路により互いに電気接続されることを特徴とする請求項１６記載の無線電力ユニット。
18. 前記ＯＲ回路は、
    格納要素と、
    前記格納要素に接続された第１のノード及び前記デバイスに接続された第２のノードを有する負荷平衡スイッチ回路と、
    を備え、
    前記格納要素の第１のノードは前記整流回路の出力ノード及び前記スイッチ回路の前記第１のノードに接続され、前記格納要素の第２のノードは接地に接続され、
    前記負荷平衡スイッチ回路は、前記第１の共振器構造と前記第２の共振器構造との間の適切な負荷平衡を保証するために使用され、前記デバイスに均一な電力を提供することを特徴とする請求項１７記載の無線電力ユニット。
19. ＮＦＭＲ電力トランスミッタに対する周辺デバイスの方位に依存しない前記ＮＦＭＲ電力トランスミッタからの電力を無線受電するように構成された周辺デバイスであって、
    各々がＮＦＭＲ磁界から電力を受電するように構成された少なくとも２つの磁気的に分離された近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）レシーバと、
    前記少なくとも２つの磁気的に分離されたＮＦＭＲレシーバに結合された電力合成回路と、を備える無線受電ユニットを備え、
    前記電力合成回路は、
    前記少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバ及び前記デバイスを負荷整合し、
    前記少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバからの電力を負荷平衡し、
    前記ＮＦＭＲ磁界に対する前記少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバの方位に関係なく前記デバイスが前記無線電力ユニットから前記実質的に一定の電力を無線受電するように前記ＮＦＭＲ磁界に対する前記無線電力ユニットの空間方位に関係なく前記少なくとも２つの磁気的に分離されたＮＦＭＲレシーバ間の有効磁気結合係数を約ゼロに維持するように構成されることを特徴とする周辺デバイス。
20. 前記電力合成ユニットは、
    レシーバインピーダンスを負荷インピーダンスと整合させるように構成された前記少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバに接続されたインピーダンス整合ネットワークと、
    前記インピーダンス整合ネットワークからＡＣ信号を受信し且つ前記ＡＣ信号をＤＣ信号に変換するように構成された整流回路と、
    前記少なくとも２つの磁気的に分離されたＮＦＭＲレシーバと前記デバイスとの間に負荷平衡機能を提供するように構成されたＯＲ回路とを備えることを特徴とする請求項１９記載の周辺デバイス。
21. 前記少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバは、それぞれインダクタンス値Ｌ_１及び直列抵抗Ｒ_ｓを有するインダクタとしてモデル化されることを特徴とする請求項２０記載の周辺デバイス。
22. インピーダンス整合回路は、
    第１の静電容量値Ｃ_１を有する第１のコンデンサと、
    前記第１のコンデンサと並列に接続された第２の静電容量値Ｃ_２を有する第２のコンデンサとを備える容量性ネットワークを備え、
    前記少なくとも２つのＮＦＭＲレシーバがＮＦＭＲトランスミッタと共振モードである場合、前記レシーバインダクタは、前記容量性ネットワークと共振して前記デバイスの負荷抵抗及び前記レシーバの負荷抵抗を整合させることを特徴とする請求項２１記載の周辺デバイス。
23. 前記整流回路は、複数のダイオードを更に備えるフルブリッジ整流器回路を備えることを特徴とする請求項２２記載の周辺デバイス。
24. 前記ＯＲ回路は少なくとも１つのダイオードを備えることを特徴とする請求項２３記載の周辺デバイス。
25. 前記周辺デバイスは、前記周辺デバイスが３次元空間体積内のいずれかの位置内に移動された時にＮＦＭＲ電力トランスミッタから無線受電した電力の損失が実質的にないように互いに垂直に配置される少なくとも３つのＮＦＭＲレシーバを含むことを特徴とする請求項２４記載の周辺デバイス。
26. 使用可能な電力を提供するように構成された小さいフォームファクタの無線電力ユニットであって、
    共振電力コイルであり、前記共振電力コイルが近接場磁気共鳴（ＮＦＭＲ）トランスミッタの共振周波数で動作するように構成される場合に電力転送チャネルにより電源と結合された前記ＮＦＭＲトランスミッタから電力を受電するように構成された共振電力コイルを備え、
    前記小さいフォームファクタの無線電力ユニットは周辺デバイスの電池室内に収まるようにサイズ変更されることを特徴とする小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
27. 前記電池室は、標準的なＡＡＡタイプのバッテリを収納するようにサイズ変更されることを特徴とする請求項２６記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
28. 中央に配置された長手軸を有する中央コア領域と、
    前記長手軸に関して前記円筒形の中央コア領域の周囲に巻き付けられた連続した導電材料の複数のループと、を備える共振コイルを更に備えることを特徴とする請求項２７記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
29. 前記周辺デバイスがキーボードの動作中に前記ＮＦＭＲトランスミッタに対して安定した方位を有する前記キーボードである場合、前記電力ユニットは、最大の磁束が前記複数のループ内で誘導されるように前記電力ユニットの前記長手軸が前記ＮＦＭＲトランスミッタに対して位置合わせされるように前記キーボード内に配置されることを特徴とする請求項２８記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
30. 前記周辺デバイスが前記ＮＦＲＭトランスミッタに対して自由に移動する場合、前記電力ユニットは、前記共振電力コイルから磁気的に分離された第２の共振電力コイルを少なくとも備えることを特徴とする請求項２９記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
31. 前記第２の共振コイルは、前記共振電力コイルと前記第２の共振電力コイルとの間の有効磁気結合係数κｅｆｆが約ゼロであるように、前記共振電力コイルから少なくとも距離ｔだけ離れて配置されることを特徴とする請求項３０記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
32. 前記第２の磁気共鳴コイルと前記磁気共鳴コイルとの間の前記距離が距離ｔ未満である場合、前記第２の磁気コイル及び前記磁気共鳴コイルは、前記共振電力コイルと前記第２の共振電力コイルとの間の前記有効磁気結合係数κｅｆｆが約ゼロであるように互いに対して配置されることを特徴とする請求項３１記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
33. 前記共振コイル及び前記第２の共振コイルは、Ｔ型構成で互いに対して配置されることを特徴とする請求項３２記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
34. 電力ユニットは第３の共振コイルを含み、前記第３の共振コイルは、第１の共振コイル及び前記第２の共振コイルに対して十字型構成で配置されることを特徴とする請求項３３記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
35. 前記周辺デバイスは、
    前記共振電力コイルを囲む筐体を備えることを特徴とする請求項３４記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
36. 前記周辺デバイスがキーボードの動作中に前記ＮＦＭＲトランスミッタに対して安定した方位を有する前記キーボードである場合、前記電力ユニットは、最大の磁束が前記複数のループ内で誘導されるように前記電力ユニットの前記長手軸が前記ＮＦＭＲトランスミッタに対して位置合わせされるように前記キーボード内に配置されることを特徴とする請求項３５記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
37. 前記周辺デバイスが前記ＮＦＲＭトランスミッタに対して自由に移動する場合、前記電力ユニットは、前記共振電力コイルから磁気的に分離された第２の共振電力コイルを少なくとも備えることを特徴とする請求項３６記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
38. 前記第２の共振コイルは、前記共振電力コイルと前記第２の共振電力コイルとの間の有効磁気結合係数κｅｆｆが約ゼロであるように、前記共振電力コイルから少なくとも距離ｔだけ離れて配置されることを特徴とする請求項３７記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
39. 前記第２の磁気共鳴コイルと前記磁気共鳴コイルとの間の前記距離が距離ｔ未満である場合、前記第２の磁気コイル及び前記磁気共鳴コイルは、前記共振電力コイルと前記第２の共振電力コイルとの間の前記有効磁気結合係数κｅｆｆが約ゼロであるように互いに対して配置されることを特徴とする請求項３８記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
40. 前記共振コイル及び前記第２の共振コイルは、Ｔ型構成で互いに対して配置されることを特徴とする請求項３９記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。
41. 電力ユニットは第３の共振コイルを含み、前記第３の共振コイルは、第１の共振コイル及び前記第２の共振コイルに対して十字型構成で配置されることを特徴とする請求項４０記載の小さいフォームファクタの無線電力ユニット。