JP5484311B2 - 移動装置への無線エネルギー転送方法およびシステム - Google Patents

Description

［関連出願］
この米国の非仮出願の特許出願は、Ｋｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ外により２００９年１２月３日に出願された、ＭＥＲＬ−２２１８の、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌ（負のインデックス材料を有する無線エネルギー転送）」と題する、出願番号１２／６３０，４９８、およびＫｏｏｎ Ｈｏｏ Ｔｅｏ外により２０１０年１月１３日に出願された、ＭＥＲＬ−２２５９の、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ（エネルギー転送のためのシステムおよび方法）」と題する、出願番号１２／６８６，４６６に関し、これら両方の出願は引用によってここに組込まれる。

この発明は、エネルギーを転送することに関し、特に、移動装置にエネルギーを無線で転送することに関する。

無線エネルギー転送
誘導カプリング（結合）は、コードレスの電子歯ブラシあるいはハイブリッド車のバッテリーを充電するような、多数の無線エネルギー転送アプリケーションにおいて使用される。変圧器のような結合誘導子では、ソース（送信側）、たとえば１次コイル、は電磁界としてエネルギーを発生し、また受信側、たとえば２次コイル、は、シンク（受信側）を通過するエネルギーが最適化されるように、たとえば、ソースのエネルギーにできるだけ類似するように、その電磁界の境界を定める。エネルギーを最適化するために、ソースとシンクの間の距離はできるだけ小さくすべきである。その理由は、より大きな距離にわたっては、誘導方法は非常に効果がないからである。

共振カプリング（結合）システム
共振カプリング（結合）では、２つの共振する電磁気物体、すなわちソースおよびシンク、は共振条件の下で相互に作用する。共振結合は、ソースからシンクへ中程度の距離、たとえば共振振動数波長の数分の１の距離、を超えてエネルギーを転送する。

図１は、共振ソース１１０から共振シンク１２０へエネルギーを転送するための従来の共振結合システム１００を示す。システム１００の動作の一般的原理は誘導結合に似ている。ドライバ１４０は、振動する電磁界１１５を形成するために、共振ソースにエネルギーを入力する。励起された電磁界は、共振システムのソースおよびシンクの自己共振周波数或いはドライバでの励振信号周波数に対して或る割合で減衰する。しかしながら、共振シンクが各サイクル中に失われるより多くのエネルギーを吸収する場合、そのエネルギーの大部分はシンクへ転送される。同一の共振周波数で共振ソースと共振シンクを作動させることは、共振シンクがその周波数で低インピーダンスを有し、そのエネルギーが最適に吸収されることを保証する。共振結合システムの一例は米国特許出願第２００８／０２７８２６４号および第２００７／０２２２５４２号に開示されており、引用によってここに組込まれる。

エネルギーは、共振する物体、たとえば大きさＬ_１の共振ソースおよび大きさＬ_２の共振シンク、間で距離Ｄを超えて転送される。ドライバは電力供給体をソースに接続し、また、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へ供給され、共振ソースから共振シンクへ無線でかつ非放射で転送され、そして負荷によって消費される。無線による非放射のエネルギー転送は、フィールド（場）１１５、たとえば電磁界や共振システムの音場、を使用して行なわれる。本明細書を簡潔にするため、フィールド１１５は電磁界とする。共振物体の結合中、エバネッセント波１３０が共振ソースと共振シンクとの間で伝播される。

カプリング（結合）の向上
カプリング（結合）モード理論によれば、カプリング（結合）の強さはカプリング（結合）係数ｋによって表わされる。カプリング（結合）の向上は、結合係数ｋの絶対値の増加によって表わされる。結合モード理論に基づいて、共振結合システムの共振振動数は多数の周波数へ分割される。たとえば、２つの物体共振コンパイルシステムでは、カプリング（結合）効果により、偶数および奇数モード周波数と名付けられた２つの共振周波数を観察することができる。２つの正確に同一の共振構造によって形成された、２つの物体共振システムの結合係数は、次式（１）による偶数および奇数モードの分割により計算される。
ｋ＝π｜ｆ_ｅｖｅｎ−ｆ_ｏｄｄ｜・・・（１）

結合を向上させることは挑戦である。たとえば、結合を最適化するために、高品質係数を有する共振物体が選択される。しかしながら、ソースとシンクがエネルギー交換中に相互に相対運動中である場合、ソースとシンクとの間の結合は壊すことができる。したがって、少なくとも１つの自由度があるソースとシンクとの間の無線エネルギー転送を最適化することが望まれる。

この発明の実施の形態は、少なくとも１つの自由度があるエネルギーソース（エネルギー源）とエネルギーシンク（エネルギー受容体）との間のエバネッセント波の結合が、少なくとも導波管の表面の一部でエバネッセント波を発生するように構成された導波管としてソースを実現し、且つシンクがエネルギー転送エリア内で導波管への結合を維持しながら該導波管に沿って移動するように、該シンクを配置することによって、最適化することができるという認識に基づく。

１つの実施の形態は、エネルギーを無線で転送するように構成されたシステムであって、エネルギーを受信することに応答して、ソースの表面の少なくとも一部でエバネッセント波を発生するように構成された該ソースと、エバネッセント波の少なくとも一部の結合を介して前記ソースからエネルギーを無線で受信するように構成されたシンクと、前記シンクからエネルギーを受信するように構成された負荷と、を備え、前記負荷と前記シンクとは、前記エバネッセント波の少なくとも一部がエネルギー転送エリア内で前記ソースと前記シンクとの間で結合されるように、前記ソースの表面に沿って移動するように構成される、システムを開示する。

別の実施の形態は、ニアフィールド（近距離場）の結合を介してエネルギーを無線で転送する方法であって、ソースとシンクとのニアフィールドの結合によって該シンクへエネルギーを無線で転送するように構成された該ソースを設ける工程であって、前記ソースと前記シンクは、エネルギーを受信することに応答して、ＥＭ（電磁気の）ニアフィールドを発生するように構成された非放射構造体である、工程と、前記ソースのニアフィールドおよび前記シンクのニアフィールドがエネルギー転送エリア内で結合されるように、前記ソースの表面に沿って前記シンクを移動させる工程と、を備える方法を開示する。

この発明の実施の形態は、たとえば列車やエレベータ車両（かご）等の、少なくとも１つの自由度を有するシンクへの無線エネルギー転送を必要とする、様々なアプリケーション、システムおよび装置において使用することができる。

従来の共振結合システムのブロック図である。 この発明の実施の形態１による、移動する装置にエネルギーを転送するためのシステムの一例の概略図である。 この発明の実施の形態１による構造体の線図である。 異なるエネルギー分布パターンの線図である。 異なるエネルギー分布パターンの線図である。 異なるエネルギー分布パターンの線図である。 導波管とエネルギーシンクの例の概略図である。 導波管とエネルギーシンクの例の概略図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１は、少なくとも１つの自由度があるエネルギーソース（エネルギー源）とエネルギーシンク（エネルギー受容体）との間のエバネッセント波の結合が、導波管の表面の少なくとも一部でエバネッセント波を発生するように構成された導波管としてソースを実現し、且つシンクがエネルギー転送エリア内で導波管への結合を維持しながら該導波管に沿って移動するように、該シンクを配置することによって、最適化することができるという認識に基づく。

この発明の実施の形態１は、たとえば列車やエレベータ車両（かご）等の、少なくとも１つの自由度を有するシンクへの無線エネルギー転送を必要とする、様々なアプリケーション、システムおよび装置において使用することができる。

図２Ａは、導波管に沿って移動するように構成されたシンク２２０への、導波管２０５として実現されたソースからの無線エネルギー転送を最適化するように構成された我々の発明の実施の形態１を示す。１つの実施の形態１では、シンクはケーブルレス（ケーブルを備えていない）エレベータ車両、すなわち負荷２５０、に接続され、また、導波管はエレベーターシャフトに設置される。ドライバ２４０がエネルギー２６０を導波管へ供給する場合、ＥＭ（電磁気の）ニアフィールド２１５が導波管の表面の少なくとも一部に沿って発生される。典型的には、ニアフィールド２１５は特別なエネルギー分布パターンにしたがって発生される。そのパターンには、以下に述べられるように、最適なゾーンのような互いに異なるゾーンがあり、そこでは、ニアフィールド強度が最適すなわち最大である。不感地帯では、ニアフィールド強度は最適以下である。

ニアフィールド２１５に閉じ込められるエバネッセント波２３５の内の少なくともいくつかは、シンクに到着して、エネルギー転送エリア２２５内でシンクに結合される。シンクは、たとえば引張機構２５５により生起された負荷の運動がシンクの運動を生起させるように、負荷に取り付けられる２５１。シンクが導波管に沿って移動される場合、エネルギー転送エリアは、それに伴って、ソースとシンクとの間の結合を維持しながら移動される。１つの実施の形態１では、その結合を増大するように、負のインデックス材料（ＮＩＭ）２３０がエネルギー転送エリア内に配置される。

ドライバは送電網に接続され、たとえば誘導的に、エネルギーを導波管に供給することができる。１つの実施の形態１では、未使用のエネルギー２７５、すなわちシンク２２０へ転送されないエネルギー、は、電力計２８５で測定され、たとえば整流あるいは無線周波数サーキュレーターを使用してドライバへ戻される２８６。

別の実施の形態１では、電力計２８５は未使用のエネルギーを吸収する。また、信号の２８６は、未使用のエネルギーの量を示すフィードバック制御信号である。この実施の形態１の１つのバリエーション（変形例）では、ドライバは、未使用のエネルギーを最小化するために、未使用のエネルギー量を使用してエネルギー２６０を生成する。

導波管は電磁気の（ＥＭ）エバネッセント波を発生するように構成されている。たとえば、１つの実施の形態１では、導波管は導電性ワイヤによって実現される。別の実施の形態１では、導波管の一側は、エバネッセント波が導波管の表面に存在することを可能にするために、穿孔あるいはスロット２８０を有する。導波管の例が以下に記載される。

図２Ｂは、この発明のいくつかの実施の形態１による、無線によりエネルギーを交換する、たとえば、送信するあるいは受信する、ように構成されたシステムの例を示す。システムは、エネルギーを受信するときに電磁気ニアフィールド２１５を発生し、かつそのエネルギーをエバネッセント波の結合によって無線で交換するように構成された構造体２１０を含む。

１つの実施の形態１では、エネルギー２６０は、当該技術において知られているように、ドライバ２４０によって供給される。この実施の形態１では、構造体２１０は無線エネルギー転送システムのソースとして働く。代替の実施の形態１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。この実施の形態１では、構造体２１０は無線エネルギー転送システムのシンクとして働く。

システム２００は、任意ではあるが、ニアフィールド２１５の内に配置された負のインデックス材料（ＮＩＭ）２３０〜２３２を含む。１つの実施の形態１では、ＮＩＭ２３２はＥＭ構造体２１０を実質的に取り囲む。ＮＩＭ２３２は負の誘電率特性および負の透磁率特性を有する材料である。この材料に対して、いくつかの異常な現象、たとえば、エバネッセント波増幅、表面プラズモン状振舞、負の屈折、が知られている。この発明の実施の形態１は、無線エネルギー転送を最適化する、ＮＩＭのエバネッセント波を増幅する異常な能力を評価し利用した。

ニアフィールド、すなわちエネルギー分布パターン、の形状および次元は、ＥＭ構造体の形状、たとえば円形、ヘリカル（螺旋形）、円筒形の形状、および導電率、比誘電率および比透磁率等のＥＭ構造体の材料のパラメーターによって部分的に決定される、外部エネルギー２６０の周波数およびＥＭ構造体２１０の共振周波数に依存する。

通常、ニアフィールドの範囲２７０はシステムの主波長のオーダになっている。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、によって決定される。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定される。一般に、主波長は無線で交換されたエネルギーの周波数によって決定される。

共振は、Ｑ因子（Ｑファクター）、すなわち放散されたエネルギーに対する蓄積エネルギーの無次元の比、により特徴づけられる。システム２００の目的はエネルギーを無線で転送するか受信することであるので、ドライバの周波数あるいは共振周波数はニアフィールド領域の大きさを増大するように選択される。いくつかの実施の形態１では、エネルギー２６０の周波数および／または共振周波数は、ＭＨｚからＧＨｚまで全領域にある。他の実施の形態１では、前述の周波数は可視光線用のドメイン（領域）にある。

エバネッセント波
エバネッセント波は、ニアフィールド定常波であり、その強度は、ニアフィールド定常波が形成される境界からの距離に応じた指数関数的減衰を示す。エバネッセント波２３５は、構造体２１０と、波動に関して異なる特性を備えた他の「媒体」、たとえば空気、との間の境界で形成される。外部エネルギーがＥＭ構造体によって受信されるとき、エバネッセント波が形成され、該エバネッセント波はＥＭ構造体２１０の表面からのニアフィールドの波長の３分の１内で最も強い。

ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）
ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）は、エバネッセント波がＥＭ構造体の表面によって内部に反射されるかあるいは焦点に集められる、エネルギー分布パターンである。最小の反射損および放射損により、ＷＧＭパターンは異常に高いＱ係数に達するので、ＷＧＭは無線エネルギー転送に役立つ。

図３は、ＥＭ構造体、すなわちシリンダー３１０、の例を示す。シリンダー３１０の材料、幾何学的配列および大きさ、並びに優位周波数に依存して、ＥＭニアフィールド強度およびエネルギー密度は、ＷＧＭパターン３２０によるディスクの表面で最大化される。

ＷＧＭパターンは、ＥＭ構造体の形状に対して、必ずしも対称ではない。典型的には、ＷＧＭパターンは、ＥＭニアフィールドの強度が最小化される不感地帯３４５およびＥＭニアフィールドの強度が最大化される最適なゾーン３４０を有する。この発明のいくつかの実施の形態１は、エバネッセント波３５０の範囲を拡張するために、ＮＩＭ２３０を最適なゾーン３４０に設ける。

偶数および奇数モード
図４はバタフライエネルギー分布パターンを示す。２つのＥＭ構造体４１１および４１２が互いに結合されて１つの結合システムを形成する場合、該結合システムの優位周波数は偶数および奇数周波数によって表わされる。偶数および奇数周波数でのニアフィールド分布は、偶数モード結合システム４１０および奇数モード結合システム４２０として定義される。２つのＥＭ構造体の結合システムの偶数および奇数モードの代表的特性は、ＥＭフィールドが偶数モードでは同相である場合、ＥＭフィールドは奇数モードでは異相である、ということである。

バタフライペア
偶数および奇数モード結合システムは、バタフライペアとして定義された、ニアフィールド強度の偶数および奇数モード分布パターン発生する。バタフライペアのＥＭニアフィールド強度分布は、各ＥＭ構造体の中心に０度および９０度で指向された２本の線４３１および４３２、すなわちバタフライペアの不感地帯、において最小に達する。しかしながら、強度分布を変更し、不感地帯の位置および／または方向を削除し、および／または変更することが、しばしば望まれる。

交差ペア
図５は、交差ペア５００として定義されたこの発明の実施の形態１によるニアフィールド強度の分布パターンを示す。交差ペア分布パターンは各ＥＭ構造体の中心に０度および９０度で指向された最適ゾーン５３１および５３２を有する。すなわち、交差ペアパターンの最適ゾーンは、バタフライペアパターンの不感地帯に対応する。したがって、バタフライペアおよび交差ペアパターンの１つの重要な特性は、それぞれの不感地帯が重複しておらず、このため、両方の種類のパターンが利用される場合に不感地帯を削除することを許容することである。バタフライとクロシングパターンは同一オーダの大きさのシステムＱ係数および結合係数を有する。

導波管
この発明の実施の形態１は、導波管の表面でエバネッセント波を発生するように構成された異なるタイプの導波管を使用する。たとえば、１つの実施の形態１では、導波管は誘電体導波管、たとえばシリンダー３１０、であり、それは、エネルギーの受信の際に、その表面の導電性カバーがない部分に、エバネッセント波を発生する。

別の実施の形態１は、引用によってここに組込まれた米国特許第２，６８５，０６８号および第２，９２１，２７７号に記載された、エネルギーを単一の非シールドワイヤに沿って非放射で伝播するグーボー線路（Ｇｏｕｂａｕ ｌｉｎｅ）を使用する。エバネッセント波はそのワイヤの表面の近くに閉じ込められる。

図６はこの発明の別の実施の形態１による導波管６００を示す。グーボー線路と類似するスロット、穴、穿孔あるいは他の構造体２８０を導波管６００の表面に作成することによって、非放射のエバネッセント波が発生される。

シンク
１つの実施の形態１では、シンクのＥＭ構造体は、図７に示されるように、ループ７００として実現される。半径ｒのループが、半径ａの導線７１０および比誘電率εを有するコンデンサー７２０によって形成される。コンデンサーのプレート領域はＡである。また、プレート同士は距離ｄで分離される。ループ７００は軸線７０５を有する。この実施の形態１の１つのバリエーション（変形例）では、ループは共振構造体である。しかしながら、他の実施の形態１は、構造体の異なる実施例、たとえばディスク、を使用する。別の実施の形態１では、ループは、ループの軸線が導波管に垂直になるように、回転される。

この発明は好ましい実施の形態を例として記述されたが、この発明の趣旨および範囲内で様々な他の改変および変更を行ってもよいことが理解されるべきである。したがって、この発明の真実の趣旨および範囲内に入るような、すべての変更例および変形例をカバーすることが、添付の特許請求の範囲の目的である。

Claims (21)

1. エネルギーを無線で転送するように構成されたシステムであって、
   エネルギーを受信することに応答して、ソースの表面の少なくとも一部でエバネッセント波を発生するように構成された該ソースと、
   前記エバネッセント波の少なくとも前記一部の結合を介してエネルギーを前記ソースから無線で受信するように構成されたシンクと、
   前記シンクからエネルギーを受信するように構成された負荷と、を備え、
   前記負荷と前記シンクとは、前記エバネッセント波の少なくとも前記一部がエネルギー転送エリア内で前記ソースと前記シンクとの間で結合されるように、前記ソースの表面に沿って移動するように構成される、システム。
2. 前記ソースは導波管である、請求項１のシステム。
3. 前記エネルギーを前記ソースへ供給するように構成されたドライバをさらに備える、請求項１のシステム。
4. 前記結合が向上されるように、エネルギー転送エリア内に設けられた負のインデックス材料（ＮＩＭ）をさらに備える、請求項１のシステム。
5. 前記ソースと前記シンクとは共振構造体である、請求項１のシステム。
6. 前記ＮＩＭは前記シンクの所定の位置に基づいて配置される、請求項２のシステム。
7. 前記負荷はエレベータ車両である、請求項１のシステム。
8. 前記負荷は列車である、請求項１のシステム。
9. 前記シンクは、偶数のバタフライパターン、奇数のバタフライパターン、偶数の交差パターンおよび奇数の交差パターンからなるグループのパターンから選択されたエネルギー分布パターンに基づいて配置される、請求項１のシステム。
10. 前記ＮＩＭは負の誘電率特性および負の透磁率特性を有する、請求項１のシステム。
11. 前記エネルギーの少なくとも一部を前記ドライバへ供給するように構成される電力計をさらに備える、請求項３のシステム。
12. 前記導波管は、前記エバネッセント波を発生するように構成されたスロットを含む、請求項２のシステム。
13. 前記導波管は光導波管である、請求項２のシステム。
14. 前記シンクはループを含み、前記ループは、該ループの軸線が前記導波管に垂直になるように、回転される、請求項２のシステム。
15. エネルギーをニアフィールドの結合によって無線で転送する方法であって、
    ソースとシンクとのニアフィールドの結合によって該シンクへエネルギーを無線で転送するように構成された該ソースを設ける工程であって、前記ソースと前記シンクは、エネルギーを受信することに応答して、ＥＭ（電磁気の）ニアフィールドを発生するように構成された非放射構造体である、工程と、
    前記ソースのニアフィールドおよび前記シンクのニアフィールドがエネルギー転送エリア内で結合されるように、前記ソースの表面に沿って前記シンクを移動させる工程と、
    を備える、方法。
16. 前記ニアフィールドが導波管の表面の少なくとも一部で発生されるように、前記ソースを導波管として実現することをさらに備える、請求項１５の方法。
17. 前記エネルギーをドライバから前記ソースへ供給すること、また前記エネルギーを前記シンクから負荷に供給すること、をさらに備える、請求項１５の方法。
18. 前記負荷はエレベータ車両または列車である、請求項１７の方法。
19. 前記ソースから前記シンクへの前記エネルギーの転送の間に使用されなかった該エネルギーをドライバに供給することをさらに備える、請求項１５の方法。
20. 前記ソースから前記シンクへの前記エネルギーの転送の間に使用されなかったエネルギーの量を決定すること、
    前記量を表すフィードバック制御信号をドライバへ送信すること、
    前記転送中に使用されなかったエネルギーを最小化するように前記ドライバのエネルギーを制御すること、
    をさらに備える、請求項１５の方法。
21. 負のインデックス材料（ＮＩＭ）を使用して、前記結合を増大することをさらに備える、請求項１７の方法。

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