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公開番号2020025456
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200213
出願番号2019181622
出願日20191001
発明の名称可変サイズエリアに亘る複数の受信デバイスへの無線電力移送
出願人イーサーダイン テクノロジーズ インコーポレイテッド,ETHERDYNE TECHNOLOGIES INC
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02J 50/12 20160101AFI20200121BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】無線電力移送のための方法、送信器デバイス、およびシステムを提供する。
【解決手段】方法は、所定の無線電力移送エリアに基づいて特定周波数を有する可変フォームファクタ送信器を適合フォームファクタへと適合させることと、特性周波数を、適合フォームファクタとは実質的に独立した状態に維持することと、無線周波数(RF)電源および特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、可変フォームファクタ送信器の近接電磁場を介して所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信することと、を含む。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
無線電力移送の方法であって、
所定の無線電力移送エリアに基づいて可変フォームファクタ送信器を適合フォームファクタへと適合させることであって、前記適合フォームファクタの前記可変フォームファクタ送信器が特性周波数を有する、適合させることと、
前記特性周波数を、前記適合フォームファクタとは実質的に独立した状態に維持することと、
無線周波数(RF)電源から、および、前記特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、前記可変フォームファクタ送信器の近接電磁場を介して前記所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信することと、を含む方法。
続きを表示(約 4,500 文字)【請求項2】
前記無線電力移送の範囲が前記所定の無線電力移送エリアをカバーすることを保証するように、前記適合フォームファクタの寸法公差を決定することと、
前記可変フォームファクタ送信器を前記寸法公差内で適合させつつ、前記特性周波数を所定の範囲内に維持することと、をさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記所定の無線電力移送エリア内に複数の受信デバイスを設けることをさらに含み、
前記RF電源から前記可変フォームファクタ送信器を介して送信される前記RF電力の一部が前記複数の受信デバイスによって受信され、
前記特性周波数がさらに、前記複数の受信デバイスの数とは実質的に独立し、または、前記複数の受信デバイスの配置とは実質的に独立する請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記可変フォームファクタ送信器は、
それぞれが所定の容量を伴う複数のキャパシタと、
それぞれが所定のセグメント長および単位長さ当たり所定のインダクタンスを伴う複数のワイヤセグメントと、を備え、
前記複数のキャパシタが少なくとも前記複数のワイヤセグメントを介して直列に接続されることで分散キャパシタのストリングをなし、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
前記複数のワイヤセグメントを切断することおよび接合することからなるグループから選択される少なくともひとつによって、前記所定の無線電力移送エリアの寸法に基づいて分散キャパシタの前記ストリングの長さを調整することを含み、
前記特性周波数がさらに、分散キャパシタの前記ストリングの調整された長さとは実質的に独立する請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
前記所定の無線電力移送エリアの形状に基づいて、多次元面を占めるように分散キャパシタの前記ストリングを構成することを含み、
前記特性周波数がさらに、前記多次元面のフォームファクタとは実質的に独立する請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
前記所定の無線電力移送エリアの長尺形状に基づいて、分散キャパシタの前記ストリングを折り畳んで平行なラインのペアにすることを含み、
前記特性周波数がさらに、平行なラインの前記ペアのフォームファクタとは実質的に独立する請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
円筒形状の導体シールド内に分散キャパシタのストリングを設けることを含み、
前記円筒形状の導体シールドが分散キャパシタの前記ストリングの一端に接続され、
前記特性周波数がさらに、分散キャパシタの前記ストリングの前記長さとは実質的に独立する請求項1に記載の方法。
【請求項8】
無線電力移送のための可変フォームファクタ送信器であって、
それぞれが所定の容量を伴う複数のキャパシタと、
それぞれが所定のセグメント長および単位長さ当たりの所定のインダクタンスを伴う複数のワイヤセグメントと、を備え、
前記複数のキャパシタが少なくとも前記複数のワイヤセグメントを介して直列に接続されることで分散キャパシタのストリングをなし、
分散キャパシタの前記ストリングが、所定の無線電力移送エリアに基づいて、適合フォームファクタへと適合可能であり、
前記適合フォームファクタの分散キャパシタの前記ストリングが、前記適合フォームファクタとは実質的に独立した特性周波数を有し、
前記可変フォームファクタ送信器は、
無線周波数(RF)電源から、および、前記特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、分散キャパシタの前記ストリングの近接電磁場を介して前記所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信するよう構成される可変フォームファクタ送信器。
【請求項9】
前記適合フォームファクタのうちの少なくともひとつの寸法は、前記特性周波数の自由空間波長よりも小さく、これにより、前記可変フォームファクタ送信器の遠方の電磁場における放射が抑制され、
前記特性周波数が前記所定の容量、前記所定のセグメント長および単位長さ当たりの前記所定のインダクタンスに少なくとも基づく請求項8に記載の可変フォームファクタ送信器。
【請求項10】
前記RF電源から前記可変フォームファクタ送信器を介して送信される前記RF電力の一部が、前記所定の無線電力移送エリア内の複数の受信デバイスによって受信され、
前記特性周波数がさらに、前記複数の受信デバイスの数とは実質的に独立し、または、前記複数の受信デバイスの配置とは実質的に独立する請求項8に記載の可変フォームファクタ送信器。
【請求項11】
分散キャパシタの前記ストリングを適合させることは、
前記複数のワイヤセグメントを切断することおよび接合することからなるグループから選択される少なくともひとつによって、前記所定の無線電力移送エリアの寸法に基づいて分散キャパシタの前記ストリングの長さを調整することであって、前記特性周波数がさらに、分散キャパシタの前記ストリングの調整された長さとは実質的に独立する、調整することを含む請求項8に記載の可変フォームファクタ送信器。
【請求項12】
分散キャパシタの前記ストリングを適合させることは、
前記所定の無線電力移送エリアの形状に基づいて、多次元面を占めるように分散キャパシタの前記ストリングを構成することを含み、
前記特性周波数がさらに、前記多次元面のフォームファクタとは実質的に独立する請求項8に記載の可変フォームファクタ送信器。
【請求項13】
分散キャパシタの前記ストリングを適合させることは、
前記所定の無線電力移送エリアの長尺形状に基づいて、分散キャパシタの前記ストリングを折り畳んで平行なラインのペアにすることを含み、
前記特性周波数がさらに、平行なラインの前記ペアのフォームファクタとは実質的に独立する請求項8に記載の可変フォームファクタ送信器。
【請求項14】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
円筒形状の導体シールド内に分散キャパシタのストリングを設けることを含み、
前記円筒形状の導体シールドが分散キャパシタの前記ストリングの一端に接続され、
前記特性周波数がさらに、分散キャパシタの前記ストリングの前記長さとは実質的に独立する請求項8に記載の可変フォームファクタ送信器。
【請求項15】
無線電力移送のシステムであって、
無線周波数(RF)電源と、
所定の無線電力移送エリアに基づいて適合フォームファクタへと適合可能な可変フォームファクタ送信器であって、前記適合フォームファクタの前記可変フォームファクタ送信器が特性周波数を有する、可変フォームファクタ送信器と、を備え、
前記可変フォームファクタ送信器は、
前記特性周波数を、前記適合フォームファクタとは実質的に独立した状態に維持することと、
前記RF電源から、および、前記特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、前記可変フォームファクタ送信器の近接電磁場を介して前記所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信することと、を行うよう構成されるシステム。
【請求項16】
前記所定の無線電力移送エリア内に設けられた複数の受信デバイスをさらに備え、
前記RF電源から前記可変フォームファクタ送信器を介して送信される前記RF電力の一部が前記複数の受信デバイスによって受信され、
前記特性周波数がさらに、前記複数の受信デバイスの数とは実質的に独立し、かつ、前記複数の受信デバイスの配置とは実質的に独立する請求項14に記載のシステム。
【請求項17】
前記可変フォームファクタ送信器は、
それぞれが所定の容量を伴う複数のキャパシタと、
それぞれが所定のセグメント長および単位長さ当たりの所定のインダクタンスを伴う複数のワイヤセグメントと、を含み、
前記複数のキャパシタが少なくとも前記複数のワイヤセグメントを介して直列に接続されることで分散キャパシタのストリングをなし、
前記特性周波数が前記所定の容量、前記所定のセグメント長および単位長さ当たりの前記所定のインダクタンスに少なくとも基づく請求項14に記載のシステム。
【請求項18】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
前記複数のワイヤセグメントを切断することおよび接合することからなるグループから選択される少なくともひとつによって、前記所定の無線電力移送エリアの寸法に基づいて分散キャパシタの前記ストリングの長さを調整することを含み、
前記特性周波数がさらに、分散キャパシタの前記ストリングの調整された長さとは実質的に独立する請求項14に記載のシステム。
【請求項19】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
前記所定の無線電力移送エリアの形状に基づいて、多次元面を占めるように分散キャパシタの前記ストリングを構成することを含み、
前記特性周波数がさらに、前記多次元面のフォームファクタとは実質的に独立する請求項14に記載のシステム。
【請求項20】
前記可変フォームファクタ送信器は分散キャパシタのストリングを備え、
前記可変フォームファクタ送信器を適合させることは、
前記所定の無線電力移送エリアの長尺形状に基づいて、分散キャパシタの前記ストリングを折り畳んで平行なラインのペアにすることを含み、
前記特性周波数がさらに、平行なラインの前記ペアのフォームファクタとは実質的に独立する請求項14に記載のシステム。

発明の詳細な説明【背景技術】
【0001】
無線電力移送は、電源を電気負荷に接続するために人工的な導体を使用することなく、電源から電気負荷に電気エネルギを伝送することである。無線電力移送システムは、送信器および1つまたは複数の受信デバイスからなる。送信器は、電源に接続され、電力を時間変化する電磁場に変換する。1つ以上の受信デバイスは電磁場を介して電力を受信し、受信した電力を電気負荷によって利用される電流に変換して戻す。
続きを表示(約 15,000 文字)【発明の概要】
【0002】
総じて、ある態様では、本発明は無線電力移送のための方法に関する。方法は、所定の無線電力移送エリアに基づいて可変フォームファクタ送信器を適合フォームファクタへと適合させることであって、前記適合フォームファクタの前記可変フォームファクタ送信器が特性周波数を有する、適合させることと、前記特性周波数を、前記適合フォームファクタとは実質的に独立した状態に維持することと、無線周波数(RF)電源から、および、前記特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、前記可変フォームファクタ送信器の近接電磁場を介して前記所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信することと、を含む。
【0003】
総じて、ある態様では、本発明は無線電力移送のための可変フォームファクタ送信器に関する。可変フォームファクタ送信器は、それぞれが所定の容量を伴う複数のキャパシタと、それぞれが所定のセグメント長および単位長さ当たりの所定のインダクタンスを伴う複数のワイヤセグメントと、を備え、前記複数のキャパシタが少なくとも前記複数のワイヤセグメントを介して直列に接続されることで分散キャパシタのストリングをなし、分散キャパシタの前記ストリングが、所定の無線電力移送エリアに基づいて、適合フォームファクタへと適合可能であり、前記適合フォームファクタの分散キャパシタの前記ストリングが、前記適合フォームファクタとは実質的に独立した特性周波数を有し、前記可変フォームファクタ送信器は、無線周波数(RF)電源から、および、前記特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、分散キャパシタの前記ストリングの近接電磁場を介して前記所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信するよう構成される。
【0004】
総じて、ある態様では、本発明は無線電力移送のためのシステムに関する。システムは、無線周波数(RF)電源と、所定の無線電力移送エリアに基づいて適合フォームファクタへと適合可能な可変フォームファクタ送信器であって、前記適合フォームファクタの前記可変フォームファクタ送信器が特性周波数を有する、可変フォームファクタ送信器と、を備え、前記可変フォームファクタ送信器は、前記特性周波数を、前記適合フォームファクタとは実質的に独立した状態に維持することと、前記RF電源から、および、前記特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、前記可変フォームファクタ送信器の近接電磁場を介して前記所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力を送信することと、を行うよう構成される。
【0005】
本発明の他の態様は、以下のトランザクション説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるのであろう。
【図面の簡単な説明】
【0006】
図1A、1B、および1Cは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による可変フォームファクタ送信器を有する例示的なシステムの概略図を示す。
図1A、1B、および1Cは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による可変フォームファクタ送信器を有する例示的なシステムの概略図を示す。
図1A、1B、および1Cは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による可変フォームファクタ送信器を有する例示的なシステムの概略図を示す。
【0007】
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
図2A、図2B、図2D、図2E、図2F、図2G、および図2Hは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器を示す概略図である。
【0008】
図3A、図3B、図3C、図3D、および図3Eは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器の例示的な特性を示す。
図3A、図3B、図3C、図3D、および図3Eは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器の例示的な特性を示す。
図3A、図3B、図3C、図3D、および図3Eは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器の例示的な特性を示す。
図3A、図3B、図3C、図3D、および図3Eは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器の例示的な特性を示す。
図3A、図3B、図3C、図3D、および図3Eは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な可変フォームファクタ送信器の例示的な特性を示す。
【0009】
本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な無線周波数(RF)電源の概略図を示す。
【0010】
図5A、図5B、および図5Cは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な受信デバイスの概略図を示す。
図5A、図5B、および図5Cは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な受信デバイスの概略図を示す。
図5A、図5B、および図5Cは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的な受信デバイスの概略図を示す。
【0011】
本発明の1つまたは複数の実施の形態によるフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
添付の図面を参照し、本発明の具体的な実施の形態をより詳細に説明する。様々な図における同様の要素は、一貫性のために同様の参照番号によって示される。さらに、図において、3つ以上の同一直線上の網点は、3つ以上の同一直線上の網点の前と同じタイプのより多くの要素が本発明の1つ以上の実施の形態に従って任意に存在し得ることを意味する。
【0013】
本発明の実施の形態の以下の詳細なトランザクション説明では、本発明の十分な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が説明される。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施されうることは当業者には明らかであろう。他の例では、トランザクション記述を不必要に複雑にすることを避けるために、周知の特徴は詳細には説明されていない。
【0014】
一般に、本発明の実施の形態は、無線電力移送のための方法、送信器デバイス、およびシステムを提供する。本発明の1つまたは複数の実施の形態では、方法、送信器デバイス、およびシステムは、所定の無線電力移送エリアに基づいて、可変フォームファクタ送信器を特定のフォームファクタ(適合フォームファクタと呼ばれる)に適合させるための機能を提供する。特に、適合フォームファクタの可変フォームファクタ送信器は適合フォームファクタとは実質的に独立して維持される特性周波数を有する。したがって、無線周波数(RF)電源から、および、特性周波数に少なくとも部分的に基づいて、可変フォームファクタ送信器の近接電磁場を介して所定の無線電力移送エリアに亘ってRF電力が送信される。本発明の1つまたは複数の実施の形態では、特性周波数は、国際電気通信連合(ITU)無線規則によって定義される産業、科学、および医療(ISM)無線帯域内にある。例えば、特性周波数は、適合フォームファクタがITU無線規則第5条、脚注 5.138に規定されるタイプA周波数範囲(すなわち、6.765MHz〜6.795MHz)内で変化する場合でも維持されてもよい。
【0015】
図1Aは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による例示的なシステム(100)の概略図を示す。1つまたは複数の実施の形態では、図1Aに示されるモジュールおよび要素のうちの1つまたは複数が省略され、繰り返され、および/または置き換えられてもよい。したがって、本発明の実施の形態は、図1Aに示すモジュールの特定の構成に限定されると考えるべきではない。
【0016】
図1Aに示すように、システム(100)は、内部に置かれた1つまたは複数の受信デバイス(例えば、A、B、C、D、E、およびFとラベル付けされた円形アイコンとして示される)を有する無線電力移送エリア(101)にわたる無線電力移送のために、RF電源(108)から電力を受信する可変フォームファクタ送信器(102)を含む。これらのコンポーネントのそれぞれが以下に詳述される。
【0017】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、無線電力移送エリア(101)は、1つまたは複数の受信デバイスが可変フォームファクタ送信器(102)から電力を受信している任意の3次元(3D)物理空間である。例えば、無線電力移送エリア(101)は、部屋、廊下、自動車の客室、バス、列車、飛行機、または宇宙船、あるいは建物または車両の任意の部分など、建物または車両内の3D空間を含むことができる。別の例では、無線電力移送エリア(101)は、遊び場、道路、遊園地、または地上、空中、または地球から離れた宇宙の中の任意のタイプのフィールド(例えば、大気圏または星間宇宙)など、囲まれていない3D空間を含むことができる。さらに別の例では、無線電力移送エリア(101)は、洞穴、海洋プラットフォームまたは海底の近くの水中領域などの地下または水中空間を含むことができる。さらに別の例では、無線電力移送エリア(101)は上記の例の組合せを含むことができる。
【0018】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)は、無線電力移送エリア(101)内に完全に配置され、無線電力移送エリア(101)と重なり合い、または無線電力移送エリア(101)の近傍に配置される。1つ以上の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)の少なくとも一部は、保護スリーブに挿入されるか、材料シートに埋め込まれるか、無線電力移送エリア(101)で自立するか、または無線電力移送エリア(101)に取り付けられてもよい。1つまたは複数の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)の少なくとも一部は、無線電力移送エリア(101)および/またはその中に配置された1つまたは複数の受信デバイス(たとえば、A、B、C、D、E、およびFとラベル付けされた円形アイコンとして示される)に対して静止していてもよく、または移動していてもよい。本発明の1つまたは複数の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)のフォームファクタは、無線電力移送エリア(101)によって課される幾何学的制約に従って適合される。例えば、可変フォームファクタ送信器(102)は、可変フォームファクタ送信器(102)のフォームファクタが無線電力移送エリア(101)の部屋、廊下、客室、遊び場、道路、遊園地、フィールド、洞穴、水中領域などの物理的形状にフィットするように、ユーザによって変更されるように、柔軟な材料で作られてもよい。例えば、可変フォームファクタ送信器(102)のフォームファクタは、曲面、螺旋曲面などの3D部分を含むことができる。
【0019】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、受信デバイス(A)から(F)は、個々の人物など、1人または複数のユーザによって使用される同じタイプまたは異なるタイプのものとすることができる。1つまたは複数の実施の形態では、受信デバイス(A)から(F)のうちの1つまたは複数は、無線電力移送エリア(101)全体にわたってユーザ指定位置に配置され、無線電力移送中は静止している。1つまたは複数の実施の形態では、受信デバイス(A)から(F)のうちの1つまたは複数は、無線電力移送エリア(101)の寸法よりも小さい寸法を有する。1つまたは複数の実施の形態では、受信デバイス(A)から(F)のうちの1つまたは複数は、無線電力移送エリア(101)の寸法と同じかより大きい寸法を有する。例えば、受信デバイス(A)は、ユーザによって部屋または廊下の天井に配置された照明装置であってもよい。1つまたは複数の実施の形態では、受信デバイス(A)から(F)のうちの1つまたは複数は、無線電力移送中に時々無線電力移送エリア(101)全体にわたって移動するそれぞれのユーザによって持ち運ばれる。可変フォームファクタ送信器(102)の近接電磁場の性質に基づいて、受信デバイスのいずれによっても受信されない近接電磁場の電力は、可変フォームファクタ送信器(102)およびRF電源(108)に戻される。これは、電力が放射される遠電磁場とは対照的であり、その場合、無線電力移送のために生産的ではないエネルギ損失が生じる。受信デバイス(A)、受信デバイス(B)、受信デバイス(C)、受信デバイス(D)、受信デバイス(E)、および受信デバイス(F)の例は、以下の図5A、5B、および5Cを参照して説明される。
【0020】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)は一連の分散キャパシタを含む。特に、一連の分散キャパシタは、電源(108)によって生成された高周波(RF)電流(105)を伝導するために直列に接続された複数のキャパシタ−ワイヤセグメントを含む。RF電流(105)は無線電力移送エリア(101)全体に亘って存在する磁場(例えば、磁場(106))を誘起する。1つまたは複数の実施の形態では、RF電流(105)は、端子A(107a)および端子B(107b)においてワイヤに出入りする。1つまたは複数の実施の形態では、追加の介在コンポーネント(図示せず)を、可変フォームファクタ送信器(102)の動作を妨げることなく、一連のキャパシタ−ワイヤセグメントに挿入するか、または一連のキャパシタ−ワイヤセグメントと1つまたは複数の端子(たとえば、端子A(107a)、端子B(107b))との間に挿入することもできる。
【0021】
1つ以上の実施の形態では、各キャパシタ−ワイヤセグメントは、ワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))に接続されたキャパシタ(例えば、キャパシタ(103))を含む。1つまたは複数の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)内の各キャパシタ(例えば、キャパシタ(103))は、可変フォームファクタ送信器(102)を無線電力移送エリア(101)に配置する前に決定される、その中の他の任意のキャパシタと同じ公称容量値を有する。例えば、可変フォームファクタ送信器(102)内のキャパシタ(例えば、キャパシタ(103))は、ユーザが可変フォームファクタ送信器(102)を使用して無線電力移送エリア(101)内に電力を無線で提供する前に、工場で実装されてもよい。キャパシタ(例えば、キャパシタ(103))は、セラミックキャパシタ、フィルム及び紙キャパシタ、電解キャパシタ、ポリマキャパシタ、銀マイカキャパシタ等の適切なタイプのものであってもよい。1つまたは複数の実施の形態では、キャパシタの1つまたは複数は、アルミニウムまたは他の金属酸化物層によって分離された2つのアルミニウムまたは他の金属のシート、箔、またはフィルムを含むことができる。工場製造プロセスにおいて典型的であるように、可変フォームファクタ送信器(102)における全てのキャパシタ(例えば、キャパシタ(103))の容量値は、例えば製造公差のために、ある範囲(容量範囲と呼ばれる)内で変化し得る。
【0022】
1つまたは複数の実施の形態では、各キャパシタ−ワイヤセグメントは、所定のセグメント長および単位長さ当たりの所定のインダクタンスを有するワイヤセグメントを含む。例えば、可変フォームファクタ送信器(102)内のワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))は、ユーザが可変フォームファクタ送信器(102)を使用して無線電力移送エリア(101)内に電力を無線で提供する前に、工場で実装されてもよい。ワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))は、銅、アルミニウム、または他の適切な金属および/または合金材料から作られた絶縁または非絶縁ワイヤ、シート、箔、またはフィルムなどの適切なタイプのものであってもよい。1つ以上の実施の形態では、ワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))の1つまたは複数は、ユーザが1つ以上のワイヤセグメントの形状を曲げ、伸ばし、またはそうでなければ変化させることができるように、可撓または柔軟である。工場製造プロセスにおいて典型的であるように、可変フォームファクタ送信器(102)における各ワイヤセグメントおよびすべてのワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))の長さおよびインダクタンス値は、例えば製造公差のために、ある範囲(長さ範囲およびインダクタンス範囲と呼ばれる)内で変化し得る。
【0023】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、電場を閉じ込めることによって、可変フォームファクタ送信器(102)内のキャパシタ(例えば、キャパシタ(103))は漂遊電場およびその結果生じるワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))の誘導電圧を低減する。したがって、可変フォームファクタ送信器(102)内のキャパシタ(例えば、キャパシタ(103))は、システム(100)内の全エネルギにわたって、ワイヤセグメント(例えば、ワイヤセグメント(104))の浮遊容量に蓄積されるエネルギの割合を低減する。浮遊容量に関連付けられた誘起電圧および蓄積エネルギの両方の低減は環境相互作用による損失を低減し、ユーザの安全性を向上させる。
【0024】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、可変フォームファクタ送信器(102)は、少なくとも所定の容量、所定のセグメント長、および単位長さ当たりの所定のインダクタンスに基づく特性周波数に関連付けられる。可変フォームファクタ送信器(102)の特性周波数は、以下の図2A、2B、2D、2E、3A、3B、3C、3D、および3Eを参照して説明される。本明細書全体を通じて、用語「特性周波数」および「共振周波数」は、文脈に応じて互換的に使用され得る。
【0025】
1つまたは複数の実施の形態では、電源(108)への直接接続の代わりに、可変フォームファクタ送信器(102)は駆動ループ(109a)を介した誘導結合を使用して電源(108)から電力を受け取る。図1Bは、誘導結合電力構成における例示的なシステム(100)の概略図を示す。駆動ループ(109a)を介して電力を受け取ることの詳細は、以下の図1Cを参照して説明される。
【0026】
図1Cは、上記図1Bに示された駆動ループ(109a)を介して電力を供給する概略図を示す。1つまたは複数の実施の形態では、図1Cに示されるモジュールおよび要素のうちの1つまたは複数が省略され、繰り返され、および/または置き換えられてもよい。したがって、本発明の実施の形態は、図1Cに示すモジュールの特定の構成に限定されると考えるべきではない。
【0027】
図1Cに示すように、駆動ループ(109a)はバラン(108a)を介して電源(108)に結合された(例えば、インダクタンスL

を有する)導線の1つ以上のループを含む。バラン(108a)はチューニングキャパシタA(109d)(例えば、可変容量C

を有する)、チューニングキャパシタB(109e)(例えば、可変容量C

を有する)、および同軸ケーブル(109c)(例えば、フェライトコア(109b)の周りに巻かれ、インダクタンスL

を有する)を含む。具体的には、駆動ループ(109a)は電源(108)が距離(110)にわたる電磁結合を介して可変フォームファクタ送信器(102)に電力を供給するように、可変フォームファクタ送信器(102)からその距離(110)のところに配置される。1つまたは複数の実施の形態では、チューニングキャパシタB(109e)はフェライトコア(109b)のインダクタンスL

と共振するようにチューニングされ、その結果、同軸ケーブル(109c)の2つの対向する端部間に高インピーダンスを課す並列共振LC回路を形成する。さらに、チューニングキャパシタA(109d)は、駆動ループ(109a)の共振周波数を、RF電源(108)の周波数に整合するようにチューニングするために使用される。駆動ループ(109a)と可変フォームファクタ送信器(102)との間の距離(110)は、可変フォームファクタ送信器(102)の見かけの入力インピーダンスを同軸ケーブル(109c)のインピーダンスおよびRF電源(108)の出力インピーダンスに整合させるために調整され得る。
【0028】
図2Aは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による平行ワイヤ伝送線(201)の概略図を示す。1つまたは複数の実施の形態では、図2Aに示されるモジュールおよび要素のうちの1つまたは複数が省略され、繰り返され、および/または置き換えられてもよい。したがって、本発明の実施の形態は、図2Aに示すモジュールの特定の構成に限定されると考えるべきではない。
【0029】
図2Aに示すように、正弦波形状のアイコン(201a)および(201b)は、平行ワイヤ伝送線(201)に沿って伝播する電磁波を表す。平行ワイヤ伝送線(201)は、2本の平行ワイヤ(201d)で構成されており、各平行ワイヤはキャパシタによって結合されたワイヤセグメントを有し、sは各ワイヤセグメントの長さを表し、Cは各キャパシタの容量を表し、qは平行ワイヤ伝送線(201)に沿った電荷変位を表す。2つの平行ワイヤ(201d)がRF電流(例えば、図1Aに示される電流(105))を流すという文脈において、2つの平行ワイヤ(201d)の各ワイヤはまた、本明細書を通して導体ワイヤとも呼ばれる。正弦波形状のアイコン(201a)と(201b)との間の距離は平行ワイヤ伝送線(201)の長さに対応し、キャパシタの2つの平行ストリング間の間隔は、平行ワイヤ伝送線(201)の幅に対応する。平行ワイヤ伝送線(201)の長さは無線電力移送エリア(101)の他の寸法の長さと同等であってもよいが、平行ワイヤ伝送線(201)の幅は1センチメートル未満から無線電力移送エリア(101)の幅または他の寸法までの範囲であってもよい。1つまたは複数の実施の形態では、平行ワイヤ伝送線(201)が上記の図1Aに示す可変フォームファクタ送信器(102)の一部分に対応する。言い換えれば、図1Aに示される分散キャパシタのストリングの2つのセクションは、互いに平行に配置されてもよい。一般に、平行ワイヤ伝送線(201)に沿って変位する電荷量qは、平行ワイヤ伝送線(201)に沿った位置および時間の関数である。対応する電荷密度(すなわち、単位長さ当たりの電荷)、ρ
λ
、および電流、I、は、平行ワイヤ伝送線(201)について、以下の式(1)によって与えられる。式(1)において、xおよびtは、それぞれ、平行ワイヤ伝送線(201)に沿った位置および時間を示す。
式(1)
【0030】
表1は、この明細書全体を通して式で使用される変数の追加の定義を示している。
表1
【0031】
平行ワイヤ伝送線(201)内の一対の隣接するキャパシタ(例えば、キャパシタ対(201c))に蓄積される電気エネルギU

は、以下の式(2)によって与えられる。
式(2)
【0032】
sがqの空間的変動よりも実質的に小さいシナリオでは、セグメント長sで割った蓄積エネルギU

は平行ワイヤ伝送線(201)に沿ってキャパシタCに蓄積されたエネルギの密度とみなすことができる。cを、平行ワイヤ伝送線(201)の2本の平行ワイヤ間の単位長さ当たりの浮遊容量とする。平行ワイヤ伝送線(201)に沿って単位長さ当たりに蓄積される総電気エネルギu

は、以下の式(3)によって与えられる。
式(3)
【0033】
平行ワイヤ伝送線(201)に沿って単位長さ当たりに蓄積される総磁気エネルギu

は、以下の式(4)によって与えられる。
式(4)
【0034】
したがって、平行ワイヤ伝送線(201)のラグランジアンは、以下の式(5)で与えられる。
式(5)
【0035】
一般化運動量π、オイラー・ラグランジュ運動方程式、及び平行ワイヤ伝送線(201)の波動方程式は、以下の式(6)、式(7)、及び式(8)で与えられる。
式(6)
式(7)
式(8)
【0036】
波動方程式(8)に基づいて、平行ワイヤ伝送線(201)の分散関係は、以下の式(9a)、式(9b)、式(9c)で与えられる。
式(9a)
式(9b)
式(9c)
【0037】
式(9a)、式(9b)、および式(9c)において、ωは角周波数を表し、kは波数を表し、vは式(9a)で定義される漸近波速を表し、ω

は式(9b)で定義されるカットオフ角周波数を表す。特に、カットオフ角周波数ω

は、平行ワイヤ伝送線(201)の長さに依存せず、その幅に応じて対数的に変化する。1つまたは複数の実施の形態では、平行ワイヤ伝送線(201)の関連するキャパシタを伴う1つまたは複数のワイヤセグメントは取り外し可能である。したがって、無線電力移送エリア(101)の寸法に応じて全長を変更するために、ユーザは、平行ワイヤ伝送線(201)を、ω

を実質的に変更することなく、再構成することができる。
【0038】
式(9c)に基づいて、図3Aは平行ワイヤ伝送線(201)の分散関係を示すために、角周波数ω対波数kのプロットを示す。加えて、位相速度v

、群速度v

は、以下の式(10a)、式(10b)で与えられる。
式(10a)
式(10b)
【0039】
なお、波数kが漸近的に0に近づくと、位相速度v

は漸近的に無限大に近づき、群速度v

は漸近的に0に近づき、角周波数ωは漸近的にω

に近づく。
【0040】
図2Bは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による、RF電源(108)によって駆動される平行ワイヤ伝送線(201)の概略図を示す。1つまたは複数の実施の形態では、図2Bに示されるモジュールおよび要素のうちの1つまたは複数が省略され、繰り返され、および/または置き換えられてもよい。したがって、本発明の実施の形態は、図2Bに示すモジュールの特定の構成に限定されると考えるべきではない。
【0041】
図2Bに示すように、平行ワイヤ伝送線(201)は、端子A(204a)及び端子B(204b)を介して接続されたRF電源(108)によって駆動される。さらに、平行ワイヤ伝送線(201)は、導電接続部(202)によって終端され、特性周波数ω

で動作する。本発明の1つまたは複数の実施の形態では、導電接続部(202)は、平行ワイヤ伝送線(201)の特性周波数を微調整するために使用することができる可変キャパシタまたは他の電子部品で置き換えることができる。
【0042】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、図2Bに示す平行ワイヤ伝送線(201)の構成は上記図1Aに示す可変フォームファクタ送信器(102)を近似する。図1Aと同様に、受信デバイス(例えば、A、B、C、D、E、およびFとラベル付けされた円形アイコンとして示される)は、図2Bに示される平行ワイヤ伝送線(201)の周りに配置される。この近似は無線電力移送エリア(101)が細長い形状を有し、可変フォームファクタ送信器(102)の分散キャパシタのストリングが、無線電力移送エリア(101)の細長い形状に従って一対の平行線に配置されるシナリオに特に適している。以下に説明するように、可変フォームファクタ送信器(102)の特性周波数は上記の図2Aを参照して説明したω

に対応し、平行ワイヤ伝送線(201)の長さとは実質的に無関係であり、その幅に応じて対数的に変化する。
【0043】
図2Bに示す構成では、平行ワイヤ伝送線(201)に沿った定在波は、RF電源(108)によって励起されると、無限の位相速度を有する。したがって、平行ワイヤ伝送線(201)に沿った電圧および電流は、平行ワイヤ伝送線(201)の異なる位置で全て同相である。換言すれば、平行ワイヤ伝送線(201)の実効電気長は、平行ワイヤ伝送線(201)の物理的長さにかかわらずゼロに等しい。平行ワイヤ伝送線(201)にエネルギ損失がないシナリオでは、平行ワイヤ伝送線(201)の物理的長さにかかわらず、RF電源(108)に与えられる平行ワイヤ伝送線(201)の入力インピーダンスはゼロに等しい。言い換えれば、平行ワイヤ伝送線(201)は、平行ワイヤ伝送線(201)の物理的長さが、駆動周波数(すなわち、ω

)の自由空間波長(例えば、無線電力移送エリア(101)の伝送媒体に基づく)よりもはるかにより短いか、またはるかに長いかにかかわらず、ω

で共振するRLC回路(図示せず)と等価である。したがって、RF電源(108)によって駆動され、導電接続部(202)によって終端された平行ワイヤ伝送線(201)は、平行ワイヤ伝送線(201)の近傍に配置された受信デバイスの共振を誘起するために、無線電力移送のための共振電源として使用されてもよい。特に、共振受信デバイスは平行ワイヤ伝送線(201)の定在波によって生成される電場および/または磁場に結合し、電場および/または磁場から電力を受け取る。
【0044】
1つまたは複数の実施の形態では、共振受信デバイスが平行ワイヤ伝送線(201)の近接電磁場から電力を受け取る。平行ワイヤ伝送線(201)の物理的長さが、駆動周波数の自由空間波長(例えば、無線電力移送エリア(101)の伝送媒体に基づく)よりもはるかに長い場合であっても、RF電源(108)から供給される電力は、遠距離場放射に失われることなく、近くの共振受信デバイスに移送されるために、平行ワイヤ伝送線(201)内に実質的に保持される。放射損失による平行ワイヤ伝送線の品質係数は、長さではなく、ワイヤ間隔およびワイヤ半径のみに依存する。
【0045】
図2Cは分散容量を伴う平行ワイヤ伝送線(201)の変形例を示し、この場合、導体ワイヤの1つは、他の導体ワイヤを取り囲む導電シールド(203)を形成し、以下、シールド伝送線(201a)と呼ばれる。例えば、導電シールド(203)は、実質的に円筒形であってもよい。図2Cに示されるシールド伝送線(201a)は、分散容量が中心導体上にのみ配置されることを除いて、上記の図2Bに示される平行ワイヤ伝送線(201)と同じ原理によって動作する。いくつかの構成では、中心導体は外側導体(すなわち、導電シールド203)と同心でなくてもよい。さらに、中心導体および外側導体(すなわち、導電シールド203)の断面は、円形でなくてもよい。
【0046】
本発明の1つまたは複数の実施の形態では、図2Cに示すシールド伝送線(201a)の構成は上記図1Aに示す可変フォームファクタ送信器(102)を近似する。図1Aと同様に、受信デバイス(例えば、A、B、C、D、E、およびFとラベル付けされた円形アイコンとして示される)は、図2Cに示される平行ワイヤ伝送線(201)の周りに配置される。この近似は、無線電力伝送エリア(101)が金属パイプライン、航空機またはスペースシャトルの機体などの導電性筐体内の内部空間に対応するシナリオに特に適している。図2Cに示すように、可変フォームファクタ送信器(102)の特性周波数は上記図2A及び2Bを参照して説明したω

に対応し、導電シールド(203)の長さとは実質的に無関係であり、導電シールド(203)の直径に応じて対数的に変化する。図2Cに示すシールド伝送線(201a)の特性周波数は、式(11)で与えられる。これは、導体ワイヤのうちの1つだけが分散キャパシタを含むという事実のために、式(9b)とは係数√2だけ異なることに留意されたい。
式(11)
【0047】
図3Bは(2つのワイヤ間の)間隔dを自由空間波長λで割ったものの関数として、6.78MHzで駆動される、14 AWG銅ワイヤからなる任意の長さの平行ワイヤ伝送線(例えば、図2Aまたは図2Bに示される)の品質係数(Q値)Qのプロットを示す。自由空間波長に対して大きなワイヤ間隔では、Qは放射損失により抑制される。しかしながら、自由空間波長に比べて小さいワイヤ間隔では、放射は抑制され、損失は銅ワイヤの抵抗損失によって支配される。
【0048】
シールド伝送線(201)は、導電シールド(203)が内部電磁場を完全に取り囲むという事実のために、放射損失を有さないことに留意されたい。
【0049】
対照的に、RF電源(108)によって駆動される導線ループは以下の図2Dを参照して説明され、近傍の共振受信デバイスに電力を移送するが、導線ループの寸法が駆動周波数の自由空間波長に近づくか、またはそれを超えるように増大するにつれて、遠距離場放射のために、電力伝達の効率は低下する。図3Cは、ループ半径aを自由空間波長λで割ったものの関数として、6.78MHzで駆動される、14 AWG銅ワイヤからなる円形ループの品質係数(Q値)Qのプロットを示す。なお、Qは低くなり、したがって、ループ半径が自由空間波長に対して大きくなるほど、無線電力移送の効率は抑制されることに留意されたい。
【0050】
図2Dは、本発明の1つまたは複数の実施の形態による、RF電源(108)によって駆動され、かつ、分散キャパシタを有するワイヤループ(204)の概略図を示す。1つまたは複数の実施の形態では、図2Dに示されるモジュールおよび要素のうちの1つまたは複数が省略され、繰り返され、および/または置き換えられてもよい。したがって、本発明の実施の形態は、図2Dに示すモジュールの特定の構成に限定されると考えるべきではない。
(【0051】以降は省略されています)

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