JP2022517815A - 無線送電システムのための安全エンクロージャ - Google Patents

Abstract

無線電力送信器のエンクロージャの完全性を保証するシステムである。送信器のエンクロージャは、高パワービームが送信器から出るのを許容する窓を含む。窓は、ビームの少なくとも一部分を反射して当該反射されたビームを検出器へ向ける領域を備える。すなわち、本システムは、窓が非破損であるか否かを確定することができる。検出器は、ビームの十分な部分を受けている場合、非破損窓を示すからである。これにより、有利なことに、送信器の出口窓が損傷している場合に引き起こされ得る危険なビーム生成破損が防止される。レーザビームは好ましくは、直線偏光ビームにより生じ得るＰ偏光成分又はＳ偏光成分のうち最大のものの反射により引き起こされる危険なレーザ破損を防止するべく、送信器から出る前に円偏光される。

Description

本発明は、特に印加レーザ系伝送システムとして、送信器エンクロージャが、当該エンクロージャが破損し得る場合であっても非安全なビーム暴露を回避することを保証する特徴を使用して、家庭環境において光パワーのビームを移動式電子デバイスに送る無線電力ビーム伝送の技術分野に関する。

物理的な有線接続を必要とすることなく電力を遠隔箇所に安全に伝送することの、長年にわたる切実な必要性が存在する。この必要性は、電池により動作する携帯型電子デバイスが一般的になるにつれ、さらに最近はインターネットオブシングズデバイスが普及するにつれ、この数十年にわたり重要となっている。これらのデバイスは、周期的な再充電を、又は電源への不変な接続を、必要とする。かかる移動式アプリケーションには、移動式電話機、ノートパソコン、車、おもちゃ、装着可能デバイス及び補聴器が含まれる。現在のところ、最新式の電池の容量、及びスマートフォンの典型的な電池の使用は、一日に一回は電池の充電を必要とするというものであり、遠隔無線電池再充電の必要性が重要となる。

電池が発明されてからほぼ一世紀後の１８７０年から１９１０年の間に、テスラは電磁波を使用して長距離送電を試みた。それ以来、遠隔地に安全に電力を伝送するべく多くの試みがなされてきたが、この試みは、送信装置又は受信装置よりも有意に大きな距離にわたって電力を伝送することを特徴とする。これは、１９８０年にＳＨＡＲＰ（静止高高度中継プラットフォーム（Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｈｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｒｅｌａｙ Ｐｌａｔｆｏｒｍ））プロジェクトを実施したＮＡＳＡから、２００７年にテスラと同様のシステムを実験したＭａｒｉｎ Ｓｏｌｊａｃｉｃまでにわたる。

携帯型電子デバイスの典型的な電池は、１～１００ワット時の容量を有し、典型的には、毎日の充電を必要とするので、かなりの長い範囲でかなりの高い電力の伝送が必要とされる。

したがって、数メートルよりも大きな範囲にわたって電力を安全に携帯型電子デバイスに伝送するべく満たされていない必要性が存在する。

居住環境における無線電力インフラストラクチャの展開のための主な障壁の中には、安全性が存在する。これは、予期せぬ状況における及び／又は訓練されていない人々によって機器が使用されるときの機器の安全性を含む。

現在許可されている伝送レーザパワーレベルまでの公衆の暴露は、複雑な安全システムなしに有用な量の電力を与えるには不十分である。例えば、米国では、連邦規則集、タイトル２１、ボリューム８（２１ＣＦＲ§８）、２０１４年４月改訂、チャプターＩ、サブチャプターＪパート１０４０が、レーザ製品を含む発光製品の性能基準を扱っている。可視範囲外の波長に対しては、クラスＩ、クラスＩＩＩ－ｂ及びクラスＩＶのレーザが存在する（クラスＩＩ、ＩＩａ及びＩＩＩａは、例えば可視レーザのような４００ｎｍから７１０ｎｍのレーザ用である）。可視範囲外のレーザのうち、クラスＩは、一般公衆使用に対して安全とみなされ、クラスＩＩＩｂ及びＩＶは非安全とみなされる。

ここで、０．１～６０秒の暴露に対し、上記２１ＣＦＲ§８によるクラスＩレーザの瞳孔径７ｍｍの場合のＭＰＥ（最大許容露光値）を示す図１を参照する。上記グラフからわかるのは以下の点である。
（ｉ）最大許容露光レベルは、（常にというわけではないが）一般に、波長とともに増加する。
（ｉｉ）人がビームに侵入した後に、２１ＣＦＲ§８に特定される要件を満たすべく例えば０．１秒後にレーザがオフにされたとしても、１．２５Ｗ以下の光が２．５ミクロン超過の波長で伝送され得る。制限は、これより短い波長において桁違いに小さくなり得る。

すなわち、何らかの種類の安全システムがなければ、ほんの数ミリワットのレーザパワーの伝送が許容されるだけであり、これは、電気に変換し直すと、ほとんどの携帯型電子デバイスを充電するのに必要とされる電力よりも有意に少ない電力を供給することとなる。例えば携帯電話機は、モデルによるが、充電に１～１２Ｗを必要とする。

クラス１レーザＭＰＥよりも高いパワーを伝送するには、安全システムが必要となる。かかる安全システムは、例えば、「無線給電のシステム」との名称のＡｌｐｅｒｔらの国際公開第２００７－０３６９３７号において示唆されるものであり、これは、ユーザがビームに侵入するときに当該ユーザを暴露から保護するシステムを開示する。

しかしながら、先行技術は、誤用から又はシステムの誤操作から生じる安全上の懸念を扱っていない。

本発明の目的は、先行技術において記載されるシステムを使い物のならなくしかねないシステムに対する誤用、誤操作、及び他の出来事への回復力のある安全システムを与えることにある。

このセクションで及び本明細書の他のセクションで言及される各公報の開示は、それぞれにおいてその全体がここに参照により組み入れられる。

本開示は、送信器から遠隔に配置される受信器に給電するべく適合された無線電力送信器の外部エンクロージャが破損したときであっても、安全なままであるシステムを記載する。

送信器は典型的に、無線充電を目的としてレーザビームを受信器に向けるレーザを含む。送信器は典型的に、送信器の視野に配置される受信器にレーザビームを向けることを許容するビーム偏向ユニットを含む。

受信器は典型的に、受信したレーザビームを電気エネルギーに変換する光起電セルを含む。この電気エネルギーは電子デバイスにエネルギーを供給するべく使用することができる。

送信器エンクロージャ内のレーザは典型的に高出力ビームを放出し、先行技術のシステムにおいて、当該エンクロージャ内のレーザ放射は典型的に、安全システムによって保護されない。すなわち、物体が送信器内に挿入されると、危険なレベルのレーザパワーに暴露され得る。送信器内で物体がレーザパワーに暴露されないようにするべく、及び送信器自体を保護するべく、送信器は典型的に保護エンクロージャを備える。

送信器は典型的に、照明器具と同様の位置になるように天井から吊るされ、又は壁に取り付けられる。無線給電中、受信器は典型的に送信器と同じ部屋に置かれる。受信器は、無線電力を受信するべく送信器の視野に存在する必要があるからである。送信器は、ビーム偏向ユニットを使用してビームを受信器に向ける。その結果、送信器は、受信器の位置が変更されてもビームを当該受信器に向けることができる。

送信器は典型的に、送信器を操作する訓練を受けておらず、及び一般にレーザ破損から保護されていないのが典型的な人々が、送信器まわりの領域を行き交う家庭、オフィス、商業空間又は産業空間に設置される。かかる設定では、例えばはしごのような高い物体、又はボールのような飛行物体が送信器に衝突し、当該送信器が破損し得る。すなわち、物体が送信器に衝突した場合、当該送信器のエンクロージャが破損し、危険なレーザ放出がアクセス可能又は解放されるようになりかねない。

送信器のエンクロージャは典型的に、ガラス又はプラスチックのような材料から作られ得る窓を有する。この窓は、その全体的な透明度レベルゆえに、又は窓の別個部分が異なる透明度を有するゆえに、少なくとも大部分が透明である。窓は、レーザビームを保護ケーシングから受信器に向けて透過させることを許容する。窓は、ビームの少なくとも８５％を透過させ得る。窓は、当該窓を丈夫にするべくニューヨーク州コーニングのコーニング社が提供するゴリラガラス（登録商標）のような保護層を含み得るが、そのような丈夫な窓であっても、又は、窓がエンクロージャ内に部分的に若しくは完全に陥凹していても、窓は破損しやすい。

エンクロージャ窓の割れ又は破損は、危険なレベルのレーザビームが送信器から漏れることのような、安全上の問題を提示し得る。これは、窓が割れ又は破損した場合、当該窓が吸収又は反射するビームのパーセンテージが、予想されるレベルよりも低くなることによって、考慮されるよりも高いレベルのレーザパワーが放出され得るからである。さらに、割れた窓は、ビームを当初に意図された位置からシフトさせるので、ビームは、安全に吸収される受信器にではなくむしろ、ビームが破損を与え得る表面に入射し得る。

すなわち、本発明の目的は、外部エンクロージャが破損しても安全性を維持するシステムを与えることにある。

一実装例において、保護エンクロージャの窓は、ビームの大部分を送信器から受信器に向けて透過させることによって無線電力を当該受信器に与える。しかしながら、ビームの小部分は受信器に向けられることがなく、送信器のエンクロージャの完全性をチェックするために使用される。ビームのこの小部分は、窓から反射され、検出器により検出される。送信器の窓が割れるか又は存在しない場合、このビームはいずれも検出器に到達しないか、又はパワー、偏光、形状、若しくは他のビーム特性のような検出器に到達するビームの特性が劣化し得る。すなわち、検出器がビームを検出しない場合、送信器のエンクロージャのケーシング窓が割れていることを示し得る。窓の部分反射表面が存在しないと、当該窓から検出器へのビームの反射が防止されるからである。代替的に、予期しないビーム品質を有するビームが検出器に到達した場合には、窓が破損していることの示唆となり得る。割れた窓は、反射ビームの、予想しないビーム品質を引き起こし得るからでる。送信器システムがケーシング窓の破損を検出した場合、システムは、ビームのパワーレベルを修正することによって、典型的にはビームのパワーを低下させることによって、応答してよく、又はレーザ発振を完全に終了させてもよい。

窓は、当該窓の完全性を検証するべくビームの一部分を反射するように割り当てられた小領域を有してもよく、その領域は、反射コーティング又は部分反射コーティングで被覆され得る。レーザは、所定のインターバルでこの小反射領域にビームを向けるように指示されてよく、その結果、検出器は、受信しているビームの量が十分であるか否かを周期的に監視することができる。システムは、窓の完全性チェックのようなことを行うときにビームのパワーレベルを低下させるようにして、送信パラメータを修正することができる。一般に、無線送電中に受信器に電力を送信するべく高パワーのビームが使用されるので、かかるビームが特別な領域に向けられ、部分的又は完全に反射されて検出器に向けられる場合、当該検出器は、そのビームの高パワーによって破損し得る。さらに、割れた窓の検出に使用される窓の領域は部分的に透明であってよいので、窓の完全性をチェックするべく使用されるビームの一部分は、窓を通して非安全な方向に送信され得る。したがって、低パワーのレーザビームを使用することが好ましい。

窓の特別な領域は、不透明、反射性、吸収性としてよく、又は周囲の領域へのリスクを防止してよい。システムは、高速スキャン速度で、かつ付加的又は代替的に高パワーレベルで、ビームを当該特別な領域を通過させ得る。ビーム減衰器、拡散器又は反射器を、レーザと特別な領域との間に配置することができる。このコンポーネントは、無線送電に使用される窓の他の部分を通って進行するビームと干渉しないように配置すべきである。

代替的に、割れた窓を検出するための特別な領域を使用する代わりに、ケーシング窓全体を部分反射可能にしてもよい。これにより、以下に説明するように、ケーシング窓の任意部分又は少なくとも有意な部分を、窓の完全性をチェックするべくビームの小部分を反射するように使用することができる。

一つの典型的構成例において、ケーシング窓は、エンクロージャの内側へと凹んだ球面形状を有し、ビーム偏向器の枢動部、及び割れ窓検出器が、共役物体位置及び結像位置に配置され、当該球面窓によって送信器の内側に向けて反射されたビームが常に、ビーム偏向ユニットの像点にある割れ窓検出器に到達する。かかる実施形態において、主ビームの光路上に見出すことができる領域全体又はその有意な部分が、割れ窓検出のために役立ち得る。代替的に、ケーシング窓は平坦又はほぼ平坦としてよく、この場合、典型的には窓面積の１０％未満の部分のみが、割れ窓検出のために使用されてよい。

一つの典型的実施形態において、送信器は、楕円偏光又は円偏光を有するビームを放出するように適合される。レーザは最初に直線偏光ビームを放出するので、レーザが放出する直線偏光を楕円偏光、好ましくは円偏光を有するビームに変換するように４分の１波長板を使用することができる。

送信された楕円偏光ビームを有することは有利となり得る。これは、直線偏光された光の使用とは異なり、楕円偏光された光が送信器外部にある受信器以外の表面を横切る場合、円偏光されたレーザビームはＰ成分及びＳ成分の平均反射で反射される一方、直線偏光されたレーザはＰ成分又はＳ成分の最大の方によって反射され得るからである。これにより、円偏光された光のブリュースター角と異なる角度での透明表面による最大反射は、直線偏光された光のそれと比べて低い。

すなわち、ビーム反射は、環境に危険をもたらし得るので、また、送信器によって放出されたビームが、どの角度で送信器外部の「異質な」透明表面に入射するかは未知であるので、円偏光された光を使用することが有利となり得る。

典型的に、システムは、送信器と受信器との間に物体が見出されたときにレーザパワーを低下させるか、又はレーザをオフにする安全システムも含む。

かかる安全システムは通常、送信器と受信器との間に見出される物体を検出するが、送信器内部の異質な物体を検出することは困難であるため、先行技術のシステムはこの可能性に関係しない。

本発明のさらに他の目的は、エンクロージャの破損、特に、送信器のレーザ及び他のコンポーネントをケースに収め得る脆弱な窓の破損、を検出するシステム及び方法を与えることにある。

本発明のさらに他の目的は、光学コンポーネント（ケーシング窓）の破損を、かかるコンポーネントが、例えばほこり及び指紋で汚染され得る場合であっても、検出するシステム及び方法を与えることにある。

本発明のさらなる目的は、汚れた環境における信号対バックグラウンド性能を改善したシステムを与えることにある。

本発明は、外部透明ケーシング窓への破損を検出するべく構成された検出システム、並びに／又は当該検出システムを使用及び操作する方法を開示する。

本発明は、レーザ、典型的には、本質的にコリメートされたビームを生成するべく適合されたダイオードレーザを含み、ビームの直径は、システムの動作距離全体にわたってある程度一定であり、システムの最大動作距離よりも大きい範囲では、典型的な受信器サイズよりも大きいサイズにのみ広がるので、ビームは、システムの動作レンジに対してある程度コリメートされたままとなる。

窓が割れ又は破損する場合、出力パワーの増加、又は予定とは異なる見かけ上の位置若しくは方向からの出力のような、安全上の問題が生じ得る。レーザが所定角度でビームを放出している場合、割れた窓により、意図した角度位置からのビームのシフトが引き起こされ得る。かかるビームのシフトは危険となり得る。上述した検出器のような安全システムのコンポーネントが、異なる位置へと構成及び整列され得るからである。安全システムが、意図された空間以外の空間を誤って保護すると、システムは非安全となり得る。安全システムは典型的にビームに整列される。この整列は、送信器の偏向器ミラーによってビームの検出方向をボア観測することによる。窓が割れ又は移動していない限り、この共通方向性は維持される。しかしながら、窓が割れ又は変更されると、検出システムとビームとが非整列となって、安全システムが意図どおりに動作しなくなり得る。

システムが、典型的には検出器の使用を介して、送信器の窓への破損を検出する場合、当該システムは、典型的には制御器の使用を介してビームのパワーレベルを変化させることにより、典型的にはビームのパワーレベルを下げるか又はレーザ発振を完全に終了させるかにより、応答するように構成される必要がある。

外部エンクロージャの他の部分は、脆弱な材料から作られていないこと、したがって破損しにくいこと、が好ましいが、製品設計が他の脆弱なエンクロージャ部分を含む場合、システムは、当該脆弱なエンクロージャ部分の状態を監視し、必要に応じてそれに応答するための検出器も含んでよい。

本システムは、エンクロージャのこのような脆弱でない部分が破損しても安全なままとなるように設計され得る。これを達成するべく、本システムはさらに、以下の３つのコンポーネントのいずれかを含み得る。
・外部エンクロージャが破損しても、危険な内部コンポーネントへのアクセスを防止するべく設計された保護送信器エンクロージャ内の内部エンクロージャのような二重エンクロージャ。
・衝撃による破損及び摩損に耐えるように構築された補強エンクロージャ。
・エンクロージャのアクティブに保護される部分（例えば送信器窓について上述したもの）。

本開示のシステムは、楕円偏光、又は本質的に円偏光を有するレーザビームを放出することができる。レーザ、典型的にはダイオードレーザは、直線偏光ビームを放出するように構成されるのが一般的であり、レーザが放出した直線偏光を楕円偏光、典型的にはほぼ円偏光に変換するべく、４分の１波長板を使用してよい。代替実施形態において、ビームのこのような修正は、例えば業界周知の全反射（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を使用することによって、波長板以外の手段を使用して達成される。

放出されたビームを楕円偏光することは有利となり得る。これは、直線偏光されたレーザとは異なり、楕円偏光されたビームに挿入された透明表面は、ブリュースター角にある、又はブリュースター角に近い角度にある表面を横切ることができないからである。その一方、直線偏光されたレーザは、ブリュースター角にある透明物体を横切ることができるので、透明表面を安全システムによって検出することが非常に困難となる。

さらに、レーザビームが大きな角度で平坦な透明表面に入射した場合、円偏光レーザがＰ成分及びＳ成分の平均反射で反射される一方、直線偏光レーザはＰ成分又はＳ成分の最大のものによって反射され得る。よって、円偏光された光に対するブリュースター角を上回る角度での透明表面による最大反射は、偏光された光に対するそれと比べて低くなる。

例えば、直線偏光された光が１．５の屈折率を有する透明表面に６０度の入射角度で入射する場合に当該パワーの１７．６６％が反射され得るのと比べ、円偏光された光のパワーは８．９％のみが反射され得る。

かかる反射は環境に有害となり得るので、また、送信器が放出したビームがどの角度で「異質な」透明表面に入射するかは未知であるので、円偏光された光を使用することが有利となり得る。

本発明は、実施形態に応じて、外部窓の破損を検出するべく一つを超えるメカニズムを使用することができる。かかる方法のいくつかが以下に列挙される。

一実施形態において、典型的にはエンクロージャ内部から、送信器窓に光を向けるべく、光源が使用される。その光源としてレーザが一般に使用されるが、ＬＥＤ及びレーザダイオードのような他の光源をこの目的に使用してよい。フロント窓は、典型的には０．０５％～５％のオーダーのわずかに反射性のコーティングを有するのが典型的である。これにより、光の大部分が窓を透過させることができ、典型的には１％未満のわずかな反射が送信器内部に向かって戻る。レーザ以外の付加的な光源を使用する一実施形態において、反射率は有意に高くてよく、９０％を上回ってさえいてもよい。検出器が配置されて反射が測定され、ひいては窓の存在が検出される。窓が割れていたり、存在しなかったり、予期しない角度で傾いていたりすると、検出器は反射を検出できないか、又は反射の変化を検出する。検出器は通常、制御器に接続される。制御器は、窓の破損又は窓への変化の検出時に、システムを安全な状態に切り替えるように構成することができる。

一典型的実施形態において、電力ビームとして使用されるレーザは、光源としても作用する。

加えて、検出器は、レーザの戻りビーム経路に配置されてよい。その結果、検出器は、戻りビームの視野の中心点を検出することができる。かかる設定において、ウィンドウの最も中心的なポイントが最も保護されるのが典型的である。

一実施形態において、フロント窓が導電性コーティングで被覆され、当該窓の電気抵抗又は導電性がセンサによって測定される。これにより、割れた窓の検出が許容される。

さらなる他実施形態において、窓が導電性コーティングで被覆され、当該窓と、ほぼそれに平行な、好ましくは導電性かつ透明な他のプレートとの間のキャパシタンスが測定される。窓が割れている場合、キャパシタンスが変化するとともに、窓が割れているかのようにシステムが反応する。

さらなる他実施形態において、受信器に到達する電力が測定される。典型的には短い中断の後、突然の電力増加が存在すると、送信器の窓に破損が生じた可能性があり、窓が割れているかのようにシステムが反応する。

他の特定の実施形態において、超音波を使用してケーシング窓の状態を、当該ケーシング窓の一側から当該ケーシング窓の他側への音波の送信により、若しくは送信器のエンクロージャ窓のフロントからバックへの波の送信により、又は窓からの音波の反射を測定することにより、検出する。

さらなる他の特定の実施形態において、光源が、典型的にはＬＥＤダイオードが、外部窓の側面を照明するように適合される。この光は、ガラスの内部で全反射されて検出器へと向かう。ガラスが割れると、全反射メカニズムが終了し、検出器において検出された信号が影響を受けるので、窓が割れ又は破損したかのようにシステムが反応する。

典型的に、ケーシングのガラスは、ビームの動作波長での透過率が９０％よりも大きく、又は９５％をも超えて大きくなるように選択される。

割れた窓を検出する検出器は、レーザビーム軸に近接して配置される場合、又はレーザビーム軸から外れるように結合される場合、ビームを阻止してはならない。これは典型的に、反射光から外れるように結合するビームスプリッタを使用して達成される。

検出器がレーザと４分の１波長板との間に配置される場合、偏光子が使用されて、フロント窓により反射された信号から外れるように結合され、送信器エンクロージャから送信されるレーザパワーに有意な影響を与えることがない。

１／４λ板は、その面が光を反射して検出器へと、詳しくは検出器の入射瞳へと、戻すことのないように、わずかに傾斜され得る。そのような反射を避けるべく、送信器に関連付けられる他のコンポーネントもわずかに傾斜され得る。この傾斜は、割れたガラスの検出器が、少なくとも一点が傾斜していない窓であって内部コンポーネントから反射信号を受信しない窓、を検出できるように意図される。１／４λ板は、ビームに対して垂直に配置されると、入射経路に沿って直接光を反射して戻すことになる。これは、フロント窓が反射した光に加わり、割れた窓の検出を複雑にし得る。

レーザ／電力ビームが、フロント窓を検出するための光源として使用される場合、フロント窓の一定領域が、かかる検出のために予約されるのが典型的である。かかる一定領域は、割れ窓検出のために使用される特別のコーティングを有してよく、又は当該窓の残りと同じコーティングを使用してよい。かかる場合、検出は、異なる電力レベルを検出するように適合され得る。

ガラス完全性検出のために予約された典型的には小さな領域を介して電力を送信する場合、受信器に送信される電力のレベルのような送信パラメータがシステムによって低減されるのが典型的であり、又は、いくつかの場合、電力は、窓の当該特別な領域を介してはまったく送信されない。

電力は、専用領域を介してはまったく送信されないか、又は低下した性能で送信されるにもかかわらず、レーザビームは、ガラスの完全性を検証するべく周期的にその領域に又はその近くに向けられてよい。

窓のこのような特別な領域は、そこに入射するレーザ光の一部分を、検出器の瞳に向けて反射することを特徴とする一方、随意的に、光の有意な部分が窓を横切ることを許容する。

検出器は、システムの保護された部分からの反射、例えば窓からの反射を受信する場合以外は、レーザから遮蔽されてレーザの全パワー又はレーザの有意な部分を受信しないように配置及び構成され得る。

ガラス完全性検出器は、入射瞳を有するのが典型的である。入射瞳を通過する光は検出器に到達する。この光は減衰され得る。瞳を通過しない光は、重度に減衰されるのが典型的である。検出器の瞳のサイズ及び位置は、割れ窓検出のために使用される窓領域が最小化されて、受信器への最大電力送信が許容されるように選択され得る。これにより、窓表面の最大パーセンテージを、専用領域以外の窓領域を介して無線送電に利用することができる。

そうするべく、窓における検出器の瞳の光投影は、例えば焦点外の可能性がある像は、窓におけるビーム直径と同様とする必要がある。

小さな物理的アパチャ、例えばピンホール若しくは虹彩、又は代替タイプのアパチャは、検出器の瞳孔に配置されるのが典型的である。瞳は、アパチャによってもたらされてもよく、又はビーム経路内のレンズ若しくは他の集束要素によってもたらされてもよい。このようなアパチャは、送信器内の表面から反射される光を低減する役割を果たすので、正確な検出が困難となる。検出器は有利なことに、窓の方向以外の方向から到来する外部光を阻止するように構成された構造物に封入されてよく、又は部分的に封入されてよい。

代替実施形態において、検出器の瞳の虚像が、送信器の動作距離の内側又はわずかに外側の好ましい位置に、例えば、送信器の動作レンジの中心に、又は動作レンジのエッジに、若しくは動作レンジの好ましい動作距離に、配置されてよい。かかる場合、ビームが送信器における特別な領域に向けられていない期間中に受信器から入来する信号を測定するべく、同じ検出器を使用することもできる。

光出力からの光を検出器に結合するべく、偏光ビームスプリッタ又は低損失ビームスプリッタを使用することが有利である。ビームスプリッタは典型的に、検出器へ向けての２％未満の結合と、パワービームの９５％を超える透過又は反射とを有する必要がある。かかる構成を達成する一つの方法は、ビームが直線偏光される位置においてブリュースター角に近い角度で平坦となり得る透明スラブを使用することである。この構成により、レーザが放出する直線偏光ビームの効率的な透過が許容される一方、直交偏光において窓から反射されたビームは、効率的に反射されて検出器に向けられる。

システムは典型的に、パワーモニタ又は検出器と称される、レーザビームのパワーを測定するように構成された検出器も備える。パワーモニタは通常、測定パワーの偏光依存性を回避するべく、１／４波長板とスキャンミラーとの間に位置決めするのが最良である。

レーザビームのパワーの小部分、典型的には１０％、５％又は１％未満が検出器に向けて結合され得る。

パワーモニタの結合器を波長板とスキャンミラーとの間に配置することにより、結合器を偏波独立とすることができる。これにより、パワー測定の精度が向上し、割れガラス検出器及び波長板のような他のコンポーネントによって引き起こされるあらゆる損失に従うパワーを検出器が測定可能となり、結合器を小さなサイズにすることが可能となる。

一実施形態において、検出器は、主ビーム経路の外側の、結合されたビームの中心に配置される。代替的に、検出器は、ビームの中心に配置する必要がない。さらに、ビーム直径は、検出器の直径と同じ長さになるように選択され得る。

一典型的実施形態において、結合されたビームは検出器へと集束され、小型の低コストかつ低ノイズの検出器を使用して、ビーム全体のプロファイルのサンプリングが許容される。このような構成は、ビーム形状の変化の影響を受けにくい。

第３の特定の構成において、結合されたビームは、拡散器を使用して検出器へと拡散され、小型の低コストかつ低ノイズの検出器を使用して、ビーム全体のプロファイルのサンプリングが許容される。かかる場合において、検出器自体は、ビーム形状変化から独立の信号を測定するべく、拡散器の鏡面反射／透過の方向の外側に配置され得る。

通常、かかる構成は、システムにおける他の検出器が拡散器からの光にさらされるのを防止するべく、拡散器及び検出器が小さなエンクロージャ内に囲まれることを要求する。

特定の実施形態において、少なくとも２つのパワーモニタが使用される。

好ましい設定において、レーザは、高速軸及び低速軸を有するダイオードレーザである。高速軸は、レーザダイオードの出口において、典型的に３０度を超える広い発散角を有し、低速軸は、典型的に１５未満の小さい角度を有する。

単数又は複数のパワーモニタが、拡散器の鏡面反射／透過の方向の外側に配置され、ノイズを低減し得る低速軸（光学系によってミラーリングされる方向）ではなく高速軸の方向に動かされる。

他の代替構成において、結合器を必要とせずに主ビームから少量のパワーを抽出するべく蛍光板が使用される。その量のパワーがパワーモニタへと向けられる。

他の構成において、パワーを結合するべくポルカドットビームスプリッタが使用される。

他の構成において、パワーモニタがレーザ自体に、随意的に同じケーシング内で取り付けられ、これら２つのコンポーネントの低コストの統合が許容される。

パワーモニタのビームスプリッタは、スキャンミラーと１／４波長板又は他の楕円ビーム生成器との間に配置され得る。

いくつかの構成において、２つのパワーモニタが使用される場合、２つのビームスプリッタを使用することが好ましい。

送信器の外部のパラメータをモニタリングするべく使用される結合器、及び割れ窓検出器のために使用される結合器もまた、送信器内部のビーム経路に配置されてよい。これは、例えば、受信器を検出するため、若しくは受信器との通信を検出するため、受信器からの信号を検出するため、送信器と受信器との間の物体を検出するため、又は送信器と受信器との間の、若しくはビームの近傍の物体の、他の測定のためである。かかる結合器は、レンズ／ミラー／集束システムピンホール／光彩／アパチャシステムへと光を結合する必要がある。ここで、ピンホールは、システムの動作レンジ内の場所の像点に配置され、一般的な表記では、集束システムの焦点から、

と、

との間に配置される。
例えば、レンズの焦点距離がｆであり、最大動作距離が１０ｍである場合、ピンホールは通常、

の距離に配置する必要がある。

すなわち、本開示に記載のデバイスの典型的実装例によれば、送信器及び受信器を含む無線送電システムが与えられ、
この送信器は、
（ｉ）ビームを放出するのに適合されるレーザと、
（ｉｉ）ビームの光パワーの表示を与えるように構成されるパワーモニタと、
（ｉｉｉ）外部エンクロージャであって、ビームを当該エンクロージャの外へと送信する光窓を含む外部エンクロージャと、
（ｉｖ）当該外部エンクロージャの中の内部エンクロージャであって、
当該レーザと、
当該パワーモニタと、
（ａ）不透明性、（ｂ）少なくとも０．５の光学密度を有する部分透過性、又は（ｃ）拡散性の少なくとも一つであるビーム阻止部分であって、ビームの少なくとも一部を吸収若しくは拡散するように構成され、又は、ビーム又は反射が当該ビーム阻止部分に向けられる場合はビームの中に挿入された物体によって引き起こされるビームの反射を吸収若しくは拡散するように構成されるビーム阻止部分と
を含む内部エンクロージャと、
（ｖ）ビーム偏向ユニットと、
（ｖｉ）当該レーザを制御するように構成される制御ユニットと
を含み、
このシステムはさらに、当該外部エンクロージャの光窓への破損の表示を与えるように構成される検出ユニットを含み、当該制御ユニットは、当該システムの構成の修正を引き起こすことによって当該表示に応答するように構成される。

ビーム阻止部分は、内部エンクロージャの壁の一部又は全部であってよく、一般に、その大部分は、複数のビーム阻止特性を有する。これらの特性は、（ａ）不透明性、（ｂ）少なくとも０．５の光学密度を有する部分透過性、又は（ｃ）拡散性の少なくとも一つであってよく、壁のビーム阻止部分は、ビームの少なくとも一部を本質的に吸収又は拡散するように構成され、又はビームの一部若しくはビームの反射が壁のビーム阻止部分に向けられる場合はビームの中に挿入された物体により引き起こされるビームの反射を本質的に吸収又は拡散するように構成されて、ビームの一部又は反射が光窓を介して外部エンクロージャの外に向けられないようにする。すなわち、内部エンクロージャのビーム阻止特性は、ビームの一部、又はビームの中に挿入された物体からのビームの反射が、窓を通過する以外に外部エンクロージャから出ることを防止するように作用する。

かかる無線送電システムにおいて、システムの構成の修正は、レーザビームの修正としてよい。

加えて、かかるシステムはさらに、ビームを送信器の動作レンジ内で５度以下まで発散させるように構成されるコリメータを含み、このコリメータは内部エンクロージャの中に配置される。

さらに、かかる無線送電システムのいずれにおいても、外部エンクロージャの窓は、少なくとも９０％の透過率を有してよい。同様に、内部エンクロージャの窓の透過率も少なくとも９０％としてよい。

かかる無線送電システムのいずれにおいても、ビーム偏向器は、内部エンクロージャの中に存在してよい。

本開示のなおもさらなる典型的実装例によれば、送信器及び受信器を含む無線送電システムが与えられ、この送信器は、
（ｉ）パワーを有するビームを放出するのに適合されるレーザと、
（ｉｉ）コリメータと、
（ｉｉｉ）ビームの偏光状態を操作するべく構成される偏光要素と、
（ｉｖ）当該レーザのビームのパワーを制御するべく適合されるコントローラと
を含み、
当該受信器は、当該ビームに対する最大許容角度θを有し、
当該偏光要素は、当該送信器から出るビームの偏光状態が楕円となるように構成され、当該楕円偏光ビームは、大きい方の成分と小さい方の成分とのパワー比μが１より大きい２つの位相シフト直線成分と、当該２つの直線偏光間の位相シフトとを含み、
当該レーザパワーは、当該レーザが放出するビームのパワーＰが、

ワット未満となるように制御される。

かかる無線電力送信器のなおもさらなる実装例は、
（ｉ）本質的にコリメートされたレーザビームを放出するべく適合されるレーザと、
（ｉｉ）当該レーザビームを送信するべく適合される外部出力窓と、
（ｉｉｉ）当該外部出力窓を介して複数の方向のいずれか一つに当該レーザビームを偏向するべく適合されるビーム偏向ユニットと、
（ｉｖ）瞳を有する検出器と
を含み、
当該外部出力窓は、当該レーザビームの一部分を当該検出器の瞳へと向けて反射するように適合される少なくとも一つの領域を有し、
当該検出器は、レーザが当該少なくとも一つの領域に向けられていないときに当該レーザから保護される。

かかる無線電力送信器において、システムはさらに、ビームの少なくとも一部分を検出し、ひいては当該ビームのパワーを表示するように構成されるパワーモニタを含んでよい。加えて、かかる無線電力送信器システムはさらに、少なくとも２つのパワーモニタを含んでよい。さらに他の実装例において、レーザは、第２ビームパワーモードよりも低いパワーを有する第１ビームパワーモードを含んでよい。後者の場合、送信器は、ビームが当該少なくとも一つの領域に入射しているときは、少なくとも一つのレーザ動作モードをオンにすることができないように構成され得る。この場合、ビーム偏向ユニットは、レーザが２つの動作モード間で切り替えられる前に、当該少なくとも一つの領域にレーザビームを向けるように適合される。

上述した無線電力送信器のなおもさらなる典型的実装例によれば、ビーム偏向ユニットは、システム始動手順中に当該少なくとも一つの領域にレーザビームを向けるように適合されてよい。さらに、当該少なくとも一つの特別な領域をスキャンする前のレーザビームのパワーは、当該少なくとも一つの特別な領域をスキャンした後のレーザビームのパワーに比べて低くする必要がある。

かかる無線電力送信器のいずれにおいても、当該少なくとも一つの領域は、ビームの５％未満を反射してよい。加えて、送信器は、放出されたビームの偏光を変化させるように適合される少なくとも一つの光学要素を含み得る。さらに、レーザが直線偏光ビームを放出する一方、窓を横切るビームは、楕円偏光ビーム又は円偏光ビームとなり得る。

これらの場合のいずれにおいても、光学要素は、ビームに直交する方向から小さな角度に整列され得る。その場合、光学要素の整列により、検出器の瞳の外側に向けられた反射が引き起こされる。

さらに開示されるのは、無線光パワー送信システムであって、
（ｉ）ビームを放出するのに適合されるレーザと、
（ｉｉ）当該レーザを収容するエンクロージャであって、
（ａ）ビーム阻止部分と、
（ｂ）ビームを透過させるエンクロージャ窓であって、当該ビームの少なくとも一部を検出ユニットへと反射させるように適合される所定部分を含むエンクロージャ窓と
を含むエンクロージャと、
（ｉｉｉ）ビームを方向付けするように適合されるスキャンミラーと、
（ｉｖ）当該検出ユニットから信号を受信して少なくとも一つのビーム特性を決定するように適合される制御ユニットと
を含み、
ビームが当該所定窓部分へと向けられるとき、当該制御ユニットは、当該検出ユニットの出力を使用して当該窓の完全性を評価し、それに応じて（ｉ）当該レーザ、及び（ｉｉ）当該システムの構成の少なくとも一方を制御するように適合される。

かかる無線電力システムにおいて、エンクロージャはさらに、当該レーザの少なくとも一部分を収容するべく構成される内部エンクロージャを含み得る。その場合において、ビームを透過させる窓は、外部エンクロージャ及び内部エンクロージャに共通としてよい。代替的に、内部エンクロージャは、エンクロージャ窓に向けてビームを透過させる第２の窓を含み得る。これらの実装例のいずれにおいても、内部エンクロージャはビーム阻止部分を含み得る。

かかる無線電力システムのなおもさらなる実装例によれば、窓は、送信器の内部に向けて凹んだ球面状としてよく、スキャンミラーの枢動部及び検出ユニットは、当該スキャンミラーの角度レンジに対し、当該球面状窓により反射されたビームが常に当該検出ユニットに到達するように、共役物体位置及び結像位置に配置される。

最後に、これらの無線電力システムはいずれも、放出されたレーザビームのパワーレベルを検出するように適合される少なくとも一つのパワーモニタをさらに含んでよい。その場合において、パワーモニタは、拡散器と少なくとも一つの検出器とを含み、当該検出器は空間的に分散されたビームを受信する。

本発明は、図面と併せて以下の詳細な説明からより完全に理解及び認識される。

ＵＳ２１ＣＦＲ§１０４０による７ｍｍの瞳孔にわたってワットに変換された公表最大許容露光を、異なる暴露時間に対して示す。 様々なポータブル電子デバイスの電池を充電するべく、天井に取り付けられた無線電力送信器が使用され得る典型的な居住環境を示す。 送信器の一つの典型的実装例を示す。この送信器は、レーザを収容する内部エンクロージャと、送信器の他のコンポーネントを保持し得る外部エンクロージャとを有する。 図２Ｂに示される外部エンクロージャの窓の完全性を検出するシステムの典型的実装例を示す。図３Ａが、内部エンクロージャ及び外部エンクロージャに対して２つの別個の窓を使用する実装例を示す一方、図３Ｂは、内部エンクロージャ及び外部エンクロージャに対して共通窓を使用する実装例を示す。 窓を介して透過するビームを検出するべく送信器の外側に設けられた検出器を使用することにより、送信器エンクロージャの外部窓の完全性を検出する代替の典型的システムを示す。 導電性コーティングを被覆し、その抵抗が、窓が破損している場合に変化することによって外部窓の完全性を決定する代替のシステムを示す。 ミラーを通過する光の全反射を使用することによって送信器エンクロージャの外部窓の完全性を決定する代替のシステムを示す。 ビームがスキャンされる任意角度に対して窓完全性を確定することができる、窓が部分反射性であって球面形状を有する実施形態を示す。 所定の反射特性を有する窓の特定部分が、窓完全性をモニタリングするべく使用される２つの代替の典型的システムを示す。 検出システムの感度への外部照明の影響を低減して検出器が外部窓の状態を正確に決定することができるように、戻りビームから来る光のみが当該検出器に向かって集束されることを保証にする、代替の典型的実装例を示す。 レーザが放出したビームのパワーを決定し、ひいては、外部エンクロージャの中、及び外部エンクロージャの外側の双方においてビームが安全レベルにあるのか否かを決定するパワーモニタのさらなる典型的実装例を示す。

ここで図１を参照する。図１は、ＵＳ２１ＣＦＲ§１０４０による７ｍｍの瞳孔にわたってワットに変換された公表最大許容露光を、異なる暴露時間に対して示す。

図２Ａは、ラップトップ２０７ａ、タブレットコンピュータ２０７ｂ及び電話機２０７ｃのような様々なデバイスを充電するべく、天井に取り付けられた無線電力送信器２０４が使用され得る典型的な居住設定を示す。理解すべきことだが、送信器は、一度に一つのデバイスのみを充電してよく、又は一を超えるデバイスを同時に充電する能力を有してもよい。

ここで、送信器の一実装例を示す図２Ｂを参照する。この送信器は、レーザ２０５又は当該レーザの少なくともビーム出口アパチャを収容する内部エンクロージャ２０３と、当該送信器の他のコンポーネントを保持し得る外部エンクロージャ２０４とを有する。

外部エンクロージャ２０４の利点は、送信器の内部構造物を破損から、例えば送信器への強打から、保護することにある。加えて、電気及びレーザコンポーネントが適切に封入されてアクセス不能な場合に発生し得る電気的破損、機械的破損、熱的破損又はレーザ破損のような潜在的な破損にさらされることからユーザを保護することにある。

外部エンクロージャ２０４は放出窓２０１を備え、この放出窓２０１によって、レーザビーム２００は送信器を出て、受信器２０７へと、又は多数の受信器へと向かうことができる。窓２０１を除き、エンクロージャ２０４は典型的に、当該エンクロージャの壁を介したレーザビームの通過を防止するべく、不透明かつ耐久性の材料、例えば金属、又は耐久性プラスチック若しくはゴムから作られる。窓２０１は典型的に、レーザビームの通過を許容する外部エンクロージャの唯一の部分であるから、ガラス又は耐久性プラスチックから作られるのが典型的である。

外部エンクロージャ２０４の、特に放出窓２０１の破損が生じ得るので、外部エンクロージャ２０４は、オフスイッチ又は取り外し可能な電源ケーブルのようなシステムをオフにする手段を備える必要がある。外部エンクロージャ２０４が破損した場合でもユーザを保護するべく、レーザ及び他の敏感なコンポーネントは、内部エンクロージャ２０３内に部分的又は完全に収容する必要がある。それゆえ、レーザは常にアクセス不能である。

内部エンクロージャ２０３はまた、外部エンクロージャ２０４が破損した場合にレーザを破損から保護する。加えて、内部エンクロージャ２０３は、送信器２００の内部コンポーネントに対する防塵装置として作用する。内部エンクロージャ２０３はまた、ビーム２００が当該内部エンクロージャから出ることができるように窓２０２を備える。

内部エンクロージャ２０３は付加的に、
（ｉ）図１０にさらに示されるパワーモニタ２０６を収容する。パワーモニタは、レーザが放出しているビームのレベルが安全かつ許容可能か否かを決定する。内部エンクロージャ２０３は、パワーモニタ全体を収容しないかもしれないが、内部エンクロージャ２０３は、パワーモニタの少なくとも入力アパチャを収容する。
（ｉｉ）図３に示されるように、ビームの一部分をパワーモニタ２０６に向かうように結合するビームスプリッタ２０２も収容する。ビームスプリッタはまた、内部エンクロージャの出力窓２０２としても作用する。

典型的には、少なくともレーザ及びパワーモニタ２０６が、レーザビームのパワー、又はパルスレーザの場合にはパルス当たりのエネルギー、のいずれかを測定するとともに、システムによって使用され得る他のモニタリングデバイスと同様に内部エンクロージャの中に収容される。パワーモニタは内部エンクロージャの中に収容される。これは、パワーモニタへの干渉又は破損が、システムが非安全になることをもたらし得るからである。例えば、システムが、レーザが放出するビームのパワーを決定するべく、測定されたパワーレベルを使用するように構成される場合、パワーモニタの出力測定の欠陥により、システムが危険なほど高いパワーレベルを有するビームの放出が引き起こされかねない。さらに、安全システムは、パワーモニタを使用して、受信器が吸収するビームの部分を決定するように構成され得る。これは、パワーモニタを使用しての放出されたビームのパワーレベルと、受信器に到達するパワーレベルとの間の差を決定することによって達成することができる。当該差が所定レベルを下回る場合、これは、送信器と受信器との間で実質的なパワー損失が生じていないので、安全動作を示す。すなわち、パワーモニタを保護して正確な読み取りを行うことが重要となる。

他のコンポーネントが、内部エンクロージャの外側に存在してよい。例えば、アノード及びカソードのようなレーザの電子部品は保護内部エンクロージャの外側に配置されてもよいが、光ビーム出口は、内部になければならない。同様に、パワーモニタの光学的アパチャは、保護内部エンクロージャの中に完全に封入される必要がある。光結合器が、パワーモニタに向けてビームの低いパーセンテージを透過／反射する一方で内部保護エンクロージャの外側において他の部分を反射／送信するべく使用される場合、光結合器の片側のみが、内部保護エンクロージャの内部に存在する必要がある。すなわち、光結合器は、内部エンクロージャの壁に設置されてよい。

例えば、機械的衝撃の結果として、又は反射コンポーネントがその意図された安定位置から外された結果として、ビームがその設計経路から偏向された場合に備え、内部エンクロージャの非透過部分を、ビームを阻止することができるように構築する必要がある。これらのコンポーネントは、システムの電源オフを許容する程度に十分長い時間（最大１０秒以上かかり得る）にわたってビームを阻止できるように設計する必要がある。すなわち、非透明部分は典型的に、ビームを透過しない材料から作られるが、むしろビームを吸収し、又は少なくともビームを拡散させるように設計された材料から構築する必要がある。さらに、かかる材料は、例えば、ユーザが応答してレーザをオフにするのに十分な時間を与えるべく、典型的に少なくとも１～２分の短い期間にわたりビームによって照射されても、溶融してはならない。

送信器は典型的に天井に設置されるので、アクセスが困難であり、主電源に直接接続され得る。すなわち、ユーザがシステムをオフにできるようにするべく、外部エンクロージャに又は遠隔制御若しくはアプリを介して見出されるのが典型的な外部のオフスイッチが存在してよい。代替的に、システムは、接続解除を許容するプラグを介して電源に接続されてよい。

内部保護エンクロージャ内に配置され得る他のコンポーネントは、コリメーションシステム、ビームサンプリング装置、及びビーム偏向デバイスを含む。

パワーモニタがほこりで汚染されると、安全システムは、システムが放出するレーザパワーのレベルを誤って評価する可能性がある。これは典型的に、システムがパワーを過小評価する原因となり、システムの動作が非安全になり得る。

したがって、内部保護エンクロージャは、レーザ及びパワーモニタがほこりで汚染されないように、ある程度防塵されている必要がある。しかしながら、製品寿命中のわずかな汚染は、許容されるのが典型的である。
ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照する。これらの図は、外部エンクロージャ窓の完全性を検出するシステムの典型的実装例を示す。

図３Ａ及び図３Ｂは、外部エンクロージャ窓から反射された少量の光が検出器により検出され、その結果、当該窓から反射されているレーザビームの当該部分が非破損窓を代表しているか否かが評価されるシステムを模式的に示す。窓の破損又は欠損を示し得る、予測されるよりも低いレベルのビームが検出される場合、システムは、当該レーザビームのレベルを下げてよく、又は当該ビームを完全に放出しないようにレーザを停止してよい。

ここで図３Ａを参照する。内部エンクロージャ３１１は、一般にダイオードレーザ発光体３０２を有するレーザユニット３０１と、コリメートされたレーザビームを生成するコリメーションシステム３１３とを含む。レーザビームは、ビームスプリッタ３０４へと向けられる。ここで、ビームスプリッタ３０４は典型的に、ビームの１０％未満をパワーモニタ３０３に向け、残りを透過させる。パワーモニタ３０３は、安全かつ許容可能なレベルでビームを放出しているか否かを決定する。

その後、ビームはスキャンミラー３０５に入射する。スキャンミラー３０５は、ビームを偏向して内部エンクロージャ窓３０６及び外部エンクロージャ窓３０７へと向かわせる。図３Ａにおける窓３０６及び３０７は別個の窓として示されるが、システムは、図３Ｂに示されるように、内部及び外部エンクロージャに対して一つの共通窓を含んでよい。

外部エンクロージャ３０７の窓は有利なことに、ビームの大部分を送信器の外部に送信することができる。その結果、受信器３０８に入射するビームによって示されるように、レーザビームの大部分が受信器に到達する。他方、ビームの典型的には小部分が、窓３０７から検出器３０９に向かって反射される。検出器３０９は、外部窓の状態を決定する窓完全性検出器である。

窓が割れているか又は存在しない場合、ビームが検出器３０９に到達しないか、又はパワー、偏光、形状若しくは他のビーム特性のようなビーム特性が劣化するかのいずれかとなる。

検出器３０９は、受信したビームの様々な特性を決定することができ、検出したレーザビームのレベル又は特性をコントローラ３１０に送信することができる。代替的に、検出器３０９は、窓３０７が割れているか又は存在しないという表示が存在する場合、コントローラ３１０に信号を送信してよい。コントローラ３１０がそのような信号を受信する場合、又は代替的に、コントローラ３１０が、ビーム到達検出器３０９のレベルが予想ビームレベルではないと決定する場合、コントローラ３１０はレーザ３０１に、ビームのパワーを修正するように、又は完全に終了させるように指令する信号を送信する。これにより、外部エンクロージャ窓が割れているか又は破損していることを示すレーザ生成破損が防止される。

コントローラ３１０は、システム全体のために、入力信号及び出力信号を処理することができる。例えば、コントローラ３１０は、パワーモニタ、スキャンミラーの動き、及びレーザパワーの調整を制御することができる。

ここで図４を参照する。図４は、送信器の外部窓の完全性を、窓を透過するビームの性質を検出するべく送信器の外側に設けられた検出器を使用することによって検出する代替の典型的システムを示す。

ビームが窓４０２を横切るとき、窓の両面が平行であれば、ビームはその当初直線経路から、当初ビーム４０１に平行な経路へとシフトする。ビームの限界が４０３として標識される。窓が割れていることによりビームの経路に存在しない場合、ビームは窓４０２によって屈折されないので、ビーム限界は４０３ではなく限界４０４によって画定される。さらに、ビームが窓を通過することによって生じるパワーの損失は生じない。その結果、限界４０４により標識されるビームは、予想外の位置に存在するのみならず、予想よりも高いパワーを有することにもなる。

窓４０２の完全性を測定する安全システムは、検出器４００によって示されるように、ビーム４０１の位置、方向又はパワーのようなビームの特性を検出することができる検出器を使用して実装することができる。このとき、システムは、これらの特性を、窓４０２が完全であるか否かを決定する基礎として使用することができる。

ここで図５を参照する。図５は、外部窓の完全性を決定する代替のシステムを示す。これは、外部窓５０２を導電性コーティングにより被覆して電気回路を形成し、例えば、当該回路を通って伝達される電流を測定することによる。

窓５０２は、窓を横切る抵抗５０３を有する導電性コーティング５０３により被覆される。抵抗器５０４が、導電性コーティングに直列に接続され、（典型的には低電圧ＤＣを供給する）電源５０１を使用して回路が閉じられ、電圧のような電気特性が、電圧計５０５によって、典型的には抵抗器５０４において、測定される。窓５０２が割れていると、導電性コーティング５０３は電気を伝導せず、回路は開き、抵抗器５０４の電圧は変化、典型的には低下、する。

他の回路もまた、同じ結果を達成するように設計することができる。これは、対向面上の電極間の窓のキャパシタンスを測定することを含む。

ここで図６を参照する。図６は、全反射を使用することによって送信器の外部窓の完全性を決定する代替のシステムを示す。窓６０１は屈折率ｎを有する。これにより、窓６０１は、ｓｉｎ^－１（１／ｎ）よりも大きな角度でその表面に入射する光を反射させる。ＬＥＤ６０２が一端から窓を照射し、検出器６０３は、窓６０１を介して全反射される光を検出できるように配置される。窓６０１が割れていると、検出器６０３が受ける光の部分が有意に低下する。

ここで図７を参照する。図７は、送信器の窓全体が部分反射性である他の実施形態を示し、これにより、ケーシング窓の任意部分又は少なくとも有意な部分を、窓の完全性をチェックするべくビームの小部分を反射するように使用することができる。

この実施形態が先に示したものと異なるのは、送信器窓７０２が、エンクロージャの内側へと凹んだ球面形状を有する点にある。ビーム偏向器７０３の枢動軸、及び窓完全性検出器７００が共役物体位置及び結像位置に配置され、その結果、スキャンミラー７０３のスキャン運動にもかかわらず、球面窓７０２によってエンクロージャ内へと反射されたビーム７０１ｂは常に、ビーム偏向ユニット７０３の像点に配置された窓完全性検出器７００に入射する。かかる実施形態において、領域全体、又は領域の有意な部分が、割れた窓の検出に役立ち得る。すなわち、無線充電に使用されるビーム７０１ａを、窓の完全性を保証するために使用することができ、レーザビームを、割れ窓検出のために窓の特定領域に周期的に向ける必要がない。

理解すべきことだが、図５～図７に記載された窓システムはいずれも、ビームが送信器から受信器に向けて出るのを許容するべく送信器の外部窓として使用されるか、又はレーザ及び他の敏感なコンポーネントをケーシングするべく使用される内部エンクロージャの窓として使用されるかのいずれか、又はその双方である。これら２つの窓はいずれも、破損のモニタリングを必要とし得る。内部エンクロージャが外部エンクロージャと窓を共有する配列において、上述のシステムは、そのような共有窓のために使用され得る。

ここで図８Ａ及び図８Ｂを参照する。これらの図は、窓の特定部分が当該窓の完全性をモニタリングするべく使用される代替の典型的システムを示す。

スキャンモニタ８０１が、部屋まわりに設置され得る送信器及び受信器にビームを向けるべく、規則的なインターバルで回転するのが一般的であるにもかかわらず、スキャンモニタ８０１は、図８Ｂに示されるように、レーザのケーシング窓８０２の完全性を試験するべくビーム８００ａを窓８０２ａの特定部分に向けるように配置される。

特定の窓領域８０２ａは、ビームを検出器に向けて効率的に反射するべく、特別な反射性コーティングによって被覆され得る。

特定の窓領域８０２ａは、ビーム８００ａが窓に垂直入射で衝突する窓の領域なので、当該ビームの一部分がスキャンミラー８０１に直接戻るように向けられる。特定の窓領域８０２ａは全体的に、レーザのケーシング窓の状態を表す。窓領域８０２ａから到来するビームパワーの量が、非破損窓から通常期待される量と異なることが、窓８０２に問題があることを示す。すなわち、ビームのどの部分も反射されてスキャンミラーへと戻されなければ、窓は割れている可能性があり、また、ビームの反射量が予想よりも少なければ、窓は破損しているか、又は汚れている可能性がある。図８に示される特定の窓領域８０２ａは、当該特定の窓領域８０２ａによるビームの反射がいずれもスキャンミラー８０１に到達するように使用される。

すなわち、ビーム到達検出器８０３のレベルが、窓の状態の表示を与える。

図８Ｂは、検出器８０３を配置する代替の方法を示す。ビームは、図８Ａに示されるようにスキャンミラー８０１を通って戻るように進行するのではなく、検出器８０３に向けて直接反射される。

スキャンミラー８０１が特定の角度に配置されると、ビーム８００ａは窓領域８０２ａに入射する。窓領域８０２ａは、ビームを良好に反射するべく反射コーティングにより被覆され得る。これにより、検出器８０３は、窓が存在するときに窓領域から反射されるレーザビームを検出することができ、どの程度のビームが窓領域８０２ａから反射されているのかを決定することができ、ひいては送信器の外部窓８０２の状態を表示することができる。

スキャンミラーは、規則的なインターバルでビームを窓領域８０２ａに向けることができるので、窓からの反射光の検出が可能となり、それによって窓８０２の完全性を保証することができる。

図８Ａは付加的に、ビーム８００ａがレーザのケーシングから離れる前に、ビーム８００ａを円偏光させる有利なシステムを示す。ひとたびビームが窓８０２を通って送信器から出ると、ビームは室内の物体から反射され得る。これは、危険かつ制御不能なビーム生成破損を引き起こし得る。直線偏光されたビームが表面から反射されると、ビームの異なる成分が、非偏光の又は偏光されたビームよりも強く反射されるので、部屋のまわりで反射され得るビームのレベルが増加し得る。

図８Ａは有利なことに、レーザ８０４が放出する直線偏光ビーム８００ａが、レーザのケーシング窓８０２から出る前に１／４波長板８０６によって円偏光されるシステムを示す。

１／４波長板８０６は、有利なことにビームのいずれの部分も直接反射されてレーザ８０４へと戻ることのないように、わずかに傾斜して示される。

図８Ａは、レーザ８０４が、一定方向に直線偏光されたビームを放出するシステムを示す。そのビームは有利なことに、当該ビームのいずれもが反射されずに偏光ビームスプリッタ８０５を通って直線的に進むので、ビーム損失が低減される。

しかしながら、ビームが窓８０２から戻るときは、当該ビームは最初に、当該ビームを垂直方向に直線偏光させる１／４波長板８０６を通って進むので、当該ビームが偏光ビームスプリッタ８０５を通って進むとき、当該ビームの大部分又はすべてが直角に反射されるので、レーザではなく検出器８０３に到達する。戻りビームは、レーザを破損させ、又は危険なレベルのビームをレーザから放出させる可能性がある。

すなわち、図８に示される典型的なシステムは、有利なことに、偏光ビームスプリッタ８０５を通って進むときには直線偏光を、ビームが送信器を出て部屋のまわりを進むときには円偏光ビームを、付随する利点とともに使用する。

ここで図９Ａ及び図９Ｂを参照する。これらの図は、無関係な照明の、検出システムの感度への影響を低減する典型的実装例を示す。ビーム９００ａは、窓から戻るように進み、偏光ビームスプリッタ９０５によって反射されてレンズ９０７へと向かう。レンズ９０７はビーム９００ｂを、アパチャ９０８を通して検出器９０３へと向かうように集束させ、アパチャ９０８が、レンズ９０１によって集束された光のみを許容し、他の方向から来る光をいずれも阻止する。

すなわち、このシステムは、戻りビームから来る光のみが検出器９０３に向けて集束されることを保証し、ひいては検出器が、窓領域８０２ａから反射されるビームの量を正確に受けて測定するが、戻りビーム９００ａ以外の光源からの照明を受けないことを保証する。その結果、検出器は、外部窓の状態を正確に決定することができる。

ここで図９Ｂを参照する。図９Ｂには、図９Ａに示される偏光ビームスプリッタの代わりに、窓から戻る偏光ビームを方向転換させるブリュースター板９０９が示される。

ここで図１０を参照する。図１０は、レーザが放出したビームのパワーを、ひいては外部エンクロージャの中、及び外部エンクロージャの外の双方において当該ビームが安全なレベルにあるか否かを決定するべく使用されるパワーモニタ１０１０の典型的実装例を示す。

レーザ１０００が放出するビームの大部分が、ビームスプリッタ１００４を通ってスキャンミラー１００５に向かって進み、レーザの外部エンクロージャの窓１００６から出て受信器（図示せず）に向かって進むにもかかわらず、当該レーザが放出するビームのレベルを測定するべく、ビームの小部分は、ビームスプリッタ１００４を通ってパワーモニタ１０１０に向かって結合される。すなわち、パワーモニタに到達するビームの部分は、レーザが放出するビームすべてを表す。

拡散器１００３がパワーモニタ１０１０の中で使用され、検出器に到達するビームの部分の任意の空間構造が平均化される。その結果、ビームは均一な照明として検出器１００１及び１００２に到達する。有利なことに、冗長性のために２つの検出器が図１０に示される。これらの検出器からの測定値が比較され、何らかの不一致により、当該検出器の一方又は双方が故障を有することが示され得る。

さらに、レーザが放出するビームのレベルを決定する典型的なシステムは、送信器の内部又は外部に存在し得るプロセッサ（図示せず）を含む。このプロセッサは、パワーモニタにおける検出器からの入力を受信し、当該検出器が受ける照明のレベルが、レーザが放出するビームの安全レベルを表すか否かを決定する。

図１０において１０１０により示されるシステム、すなわち、検出器に到達するビームの部分の任意の空間構造を平均化するべく拡散器を使用するシステム、又は冗長性のために一を超える検出器を使用するシステムは、割れ窓検出器において同様に実装されてよい。これにより、割れ窓検出器は、外部エンクロージャ窓から反射されるビームの正確な表現を与えることが保証される。

当業者にわかることだが、本発明は、上述した特定的に図示及び記載したものに限定されない。むしろ、本発明の範囲は、上述した様々な特徴のコンビネーション及びサブコンビネーション双方と、当業者が上記説明を読んで想到するが先行技術ではない変形例及び修正例とを含む。

Claims (29)

1. 送信器及び受信器を含む無線送電システムであって、
   前記送信器は、
   （ｉ）ビームを放出するのに適合されるレーザと、
   （ｉｉ）前記ビームの光パワーの表示を与えるべく構成されるパワーモニタと、
   （ｉｉｉ）光窓を含む外部エンクロージャであって、前記光窓は前記ビームを前記外部エンクロージャから透過させるように構成される、外部エンクロージャと、
   （ｉｖ）前記外部エンクロージャの中にある内部エンクロージャであって、
   前記レーザと、
   前記パワーモニタと、
   内部壁と
   を含む内部エンクロージャと、
   （ｖ）ビーム偏向ユニットと、
   （ｖｉ）前記レーザを制御するべく構成される制御ユニットと
   を含み、
   前記内部壁の少なくとも大部分は複数のビーム阻止特性を有し、
   前記ビーム阻止特性は、（ａ）不透明性、（ｂ）少なくとも０．５の光学密度を有する部分透過性、又は（ｃ）拡散性の少なくとも一つであり、
   前記壁の前記ビーム阻止部分は、前記ビームの少なくとも一部又は前記ビームの反射を本質的に吸収又は拡散するように構成され、
   前記反射は、前記ビームの前記一部若しくは前記ビームの前記反射が前記壁の前記ビーム阻止部分に向けられる場合に前記ビームの中に挿入された物体により引き起こされ、
   前記ビーム又は前記ビームの前記反射のいずれの部分も前記光窓を介する以外に前記外部エンクロージャの外に向けられることがなく、
   前記システムはさらに、前記外部エンクロージャの前記光窓への損傷の表示を与えるように構成される検出ユニットを含み、
   前記制御ユニットは、前記システムの構成の修正を引き起こすことによって前記表示に応答するように構成される、無線送電システム。
2. 前記システムの前記構成の前記修正は、前記レーザビームにおける修正を含む、請求項１に記載の無線送電システム。
3. 前記ビームを前記送信器の動作レンジ内で５度以下まで発散させるように構成されるコリメータをさらに含み、
   前記コリメータは前記内部エンクロージャの中に配置される、請求項１及び２のいずれか一項に記載の無線送電システム。
4. 前記外部エンクロージャの窓は、少なくとも９０％の透過率を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の無線送電システム。
5. 前記内部エンクロージャの窓は、少なくとも９０％の透過率を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の無線送電システム。
6. 前記ビーム偏向器は前記内部エンクロージャの内側に存在する、請求項１から５のいずれか一項に記載の無線送電システム。
7. 送信器及び受信器を含む無線送電システムであって、
   前記送信器は、
   パワーを有するビームを放出するのに適合されるレーザと、
   コリメータと、
   前記ビームの偏光状態を操作するべく構成される偏光要素と、
   前記レーザビームのパワーを制御するべく適合されるコントローラと
   を含み、
   前記受信器は、前記ビームに対する最大許容角度θを有し、
   前記偏光要素は、前記送信器から出る前記ビームの偏光状態が楕円となるように構成され、
   前記楕円偏光ビームは、大きい方の成分と小さい方の成分とのパワー比μが１より大きい２つの位相シフト直線成分と、前記２つの直線偏光間の位相シフトとを含み、
   前記レーザパワーは、前記レーザが放出するビームのパワーＰが、
   

   

   ワット未満となるように制御される、無線送電システム。
8. 無線電力送信器であって、
   本質的にコリメートされたレーザビームを放出するべく適合されるレーザと、
   前記レーザビームを透過させるべく適合される外部出力窓と、
   前記外部出力窓を介して複数の方向のいずれか一つに前記レーザビームを偏向させるべく適合されるビーム偏向ユニットと、
   瞳を有する検出器と
   を含み、
   前記外部出力窓は、前記レーザビームの一部分を前記検出器の前記瞳へと向けて反射するように適合される少なくとも一つの領域を有し、
   前記検出器は、前記レーザが前記少なくとも一つの領域に向けられていないときに前記レーザから保護される、無線電力送信器。
9. 前記システムはさらに、前記ビームの少なくとも一部分を検出し、ひいては前記ビームのパワーを表示するように構成されるパワーモニタを含む、請求項８に記載の無線電力送信器。
10. 少なくとも２つのパワーモニタをさらに含む、請求項８及び９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記レーザは、第１ビームパワーモード及び第２ビームパワーモードを含み、
    前記第１ビームパワーモードは、前記第２ビームパワーモードよりも低いパワーを有する、請求項８から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記送信器は、前記ビームが前記少なくとも一つの領域に入射するときに前記レーザ動作モードの少なくとも一つをオンにできないように構成される、請求項１１に記載の無線電力送信器。
13. 前記ビーム偏向ユニットは、前記レーザが前記２つの動作モード間で切り替えられる前に、前記レーザビームを前記少なくとも一つの領域に向けるように適合される、請求項１２に記載の無線電力送信器。
14. 前記ビーム偏向ユニットは、システム始動手順の間に前記レーザビームを前記少なくとも一つの領域に向けるように適合される、請求項８に記載の無線電力送信器。
15. 前記少なくとも一つの特別な領域をスキャンする前の前記レーザビームのパワーが、前記少なくとも一つの特別な領域をスキャンした後の前記レーザビームのパワーに比べて低い、請求項８の無線電力送信器。
16. 前記少なくとも一つの領域は前記ビームの５％未満を反射する、請求項８に記載の無線電力送信器。
17. 前記放出されたビームの偏光を変化させるように適合される少なくとも一つの光学要素を含む、請求項８に記載の無線電力送信器。
18. 前記レーザは直線偏光ビームを放出する、請求項８に記載の無線電力送信器。
19. 前記窓を通り抜ける前記ビームは楕円偏光ビーム又は円偏光ビームである、請求項８に記載の無線電力送信器。
20. 前記光学要素は、前記ビームに直交する方向から小さな角度に整列される、請求項１７に記載の無線電力送信器。
21. 前記光学要素の前記整列によって前記検出器の瞳の外側への反射が引き起こされる、請求項２０の無線電力送信器。
22. 無線光送電システムであって、
    （ｉ）ビームを放出するのに適合されるレーザと、
    （ｉｉ）前記レーザを収容するエンクロージャであって、
    （ａ）ビーム阻止部分と、
    （ｂ）前記ビームを透過させるエンクロージャ窓であって、前記ビームの少なくとも一部を検出ユニットへと反射させるように適合される所定部分を含むエンクロージャ窓と
    を含むエンクロージャと、
    （ｉｉｉ）前記ビームを方向付けするように適合されるスキャンミラーと、
    （ｉｖ）前記検出ユニットから信号を受信して少なくとも一つのビーム特性を決定するように適合される制御ユニットと
    を含み、
    前記ビームが前記所定窓部分へと向けられるとき、前記制御ユニットは、前記検出ユニットの出力を使用して前記窓の完全性を評価し、（ｉ）前記レーザ、及び（ｉｉ）前記システムの構成の少なくとも一方を制御するように適合される、無線光送電システム。
23. 前記エンクロージャはさらに、前記レーザの少なくとも一部分を収容するべく適合される内部エンクロージャを含む、請求項２２に記載の無線電力システム。
24. 前記ビームを透過させる前記窓は、前記外部エンクロージャ及び前記内部エンクロージャに共通である、請求項２３に記載の無線電力システム。
25. 前記内部エンクロージャは、前記ビームを透過させて前記エンクロージャ窓へと向ける第２窓を含む、請求項２３に記載の無線電力システム。
26. 前記内部エンクロージャは前記ビーム阻止部分を含む、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の無線電力システム。
27. 前記窓は、前記送信器の内部に向けて凹んだ球面状であり、
    前記スキャンミラーの枢動部及び前記検出ユニットは、前記スキャンミラーの角度レンジに対し、前記球面状窓により反射されたビームが常に前記検出ユニットに到達するように、共役物体位置及び結像位置に配置される、請求項２１に記載の無線電力システム。
28. 前記放出レーザビームのパワーレベルを検出するべく適合される少なくとも一つのパワーモニタをさらに含む、請求項２１から２７のいずれか一項に記載の無線電力システム。
29. 前記パワーモニタは拡散器及び少なくとも一つの検出器を含み、
    前記検出器は空間的に分散されたビームを受ける、請求項２８に記載の無線電力システム。
    
    

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