特許ウォッチ

公開番号2025093930
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-24
出願番号2025024067,2023078638
出願日2025-02-18,2017-04-09
発明の名称光無線給電システム
出願人ワイ-チャージリミテッド
代理人個人,個人,個人
主分類H02J 50/30 20160101AFI20250617BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】家庭環境において光電力を移動式電子デバイスにビーム放射するレーザ系送信システムを提供する。
【解決手段】安全システム31を組み入れ、受信器22への光電力送信する送信機21は、複数のミラー9、10及び一の利得媒体11を有する光共振器と、電力を利得媒体に供給してその小信号利得を制御するレーザドライバ12と、ビーム操舵装置14と、少なくともビーム操舵装置及びレーザドライバを制御する制御器13と、を含む。制御器は、利得媒体の小信号利得、光ビーム15の放射輝度、ドライバにより供給される電力、ビーム操舵装置のスキャン速度又はスキャン方向及び位置の少なくともいくつかを変更させる指令或いは光/電力変換器の配置を画定するスキャン姿勢を登録する指令を出力することで、システムに生じた安全リスクに応答し、高い全体的な放射輝度効率を保証し、標的とされる受信器が、送信した電力を受信していないことを警告できる。
【選択図】図19
特許請求の範囲【請求項１】
少なくとも一つの電力受信装置への光無線電力送信のためのシステムであって、
複数の端部反射器を有して光ビームを放射するべく適合された光共振器と、
８，３００ｃｍ
－１
から１２，５００ｃｍ
－１
の範囲にある波数を有する少なくとも一つ
の周波数に対する放射を減衰させるフィルタと光通信をしてネオジムイオンがドープされ
た（ｉ）半導体デバイス又は（ｉｉ）固体ホストのいずれかを含む利得媒体であって、前
記光共振器の内部に位置決めされて第１帯域ギャップエネルギーを有するとともに、冷却
システムに熱的に取り付けられて自身を通過する光を増幅するように構成される利得媒体
と、
前記利得媒体に電力を供給するように構成されて前記利得媒体の小信号利得の制御を可能
にするドライバと、
前記光ビームを複数の方向の少なくとも一つに向けるように構成されたビーム操舵装置と
、
前記少なくとも一つの電力受信装置の中に配置されて前記光ビームを、一の電圧を有する
電力に変換するように構成された光／電力変換器であって、第２帯域ギャップエネルギー
を有する光／電力変換器と、
前記光ビームが前記光／電力変換器に衝突することを示す信号を与えるように構成された
検出器と、
前記ビーム操舵装置及び前記ドライバのステータスの少なくとも一方を制御するように適
合された制御器であって、少なくとも前記検出器から制御入力信号を受信する制御器と
を含み、
前記光ビームは、少なくとも８ｋＷ／ｍ
２
／ステラジアンの放射輝度を有し、
前記送信器と前記少なくとも一つの電力受信装置との間の送信の全体的な放射輝度効率は
少なくとも２０％である、システム。
続きを表示（約 610 文字）【請求項２】
前記送信器と前記少なくとも一つの電力受信装置との間の送信の全体的な放射輝度効率は
少なくとも３０％である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光／電力変換器の出力部に接続された電圧変換器をさらに含む、請求項１又は２のい
ずれかに記載のシステム。
【請求項４】
前記電圧変換器は前記光／電力変換器の最大電力点を追跡するように構成される、請求項
３に記載のシステム。
【請求項５】
前記電圧変換器はＤＣ／ＤＣブースト電圧変換器である、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記共振器は少なくとも一つの誘電体ミラーを含む、請求項１から５のいずれかに記載の
システム。
【請求項７】
前記光／電力変換器は光起電力セルである、請求項１から６のいずれかに記載のシステム
。
【請求項８】
前記光起電力セルはＩＩＩ－Ｖ半導体材料を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
キャパシタ又は再充電可能電池であり得るエネルギー貯蔵デバイスをさらに含む、請求項
１から８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
インダクタをさらに含む、請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線電力ビーム放射の分野に関し、特に当てはまる場合には、家庭環境にお
いて光電力を移動式電子デバイスにビーム放射するための、レーザ系送信システムの使用
に関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
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送信することの、長年にわた
る切実な必要性が存在する。この必要性は、周期的な再充電を必要とする電池により動作
する携帯型電子デバイスが一般的になるにつれ、この数十年にわたり重要となってきた。
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。
【０００３】
電池の技術は、長い歴史を有し、未だに開発中である。１７４８年、ベンジャミン・フ
ランクリンは、ライデン瓶から作られた最初の電池（バッテリー）、すなわち最初の電力
源を記載した。これは、大砲の列（キャノンバッテリー）に似ていた（それゆえバッテリ
ーとの名称となった）。１８００年の後半、ボルタは銅亜鉛電池を発明した。これは、有
意に携帯型といえるものであった。最初の再充電可能電池、すなわち鉛酸蓄電池が、１８
５９年にガストン・プランテにより発明された。それ以来、再充電可能電池のエネルギー
密度の増加は、当初の鉛酸化学から現在のリチウム系化学及び亜鉛空気化学までの様々な
再充電可能電池のエネルギー密度を重量パラメータ及び体積パラメータの双方において示
す図１に見られるように、８倍未満である。同時に、携帯型電子／電気デバイスにより消
費される電力は、いくつかの完全な電池充電を毎日補充する必要がある点にまで到達して
いる。
【０００４】
電池の発明からほぼ一世紀の後、１８７０年から１９１０年までの期間において、テス
ラは、電磁波を使用して長距離にわたる電力の送信を試みた。それ以来、送信デバイス又
は受信デバイスよりも有意に大きな距離にわたることを特徴とし得る遠隔箇所まで安全に
電力を送信するべく多くの試みがなされてきた。これは、１９８０年台にＳＨＡＲＰ（静
止型高高度中継プラットフォーム（ＳｔａｔｉｏｎａｒｙＨｉｇｈＡｌｔｉｔｕｄｅ
ＲｅｌａｙＰｌａｔｆｏｒｍ））プロジェクトを指揮したＮＡＳＡから、２００７年
にテスラに類似するシステムによる実験をしたマリン・ソーリャチッチまでの範囲にわた
る。
【０００５】
それでも、これまでのところ、無線で電力を移動式デバイスまで移送することを許容す
る商業的に利用可能な技術は３つのみである。すなわち、以下のとおりである。
磁気誘導…これは典型的に、ほんの数ｍｍまでの範囲に限られる。
光起電力セル…これは、太陽光又は通常（安全）な照明の部屋における利用可能なレベル
の人工光のいずれかにより照射される場合、移動式電話機に関連するサイズに対し、０．
１ワットを超えて発電することができない。
エネルギーハーベスティング技術…これは、ＲＦ波を使用可能なエネルギーに変換するが
、現行の実際的な状況においては０．０１Ｗを超えて動作することができない。ＲＦ信号
の送信は、健康及び連邦通信委員会（ＦＣＣ）規制ゆえに限られるからである。
他方、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、毎日の
充電を要するのが典型的である。それゆえ、かなり長い範囲における、かなり高い電力移
送が必要とされる。
【０００６】
したがって、再充電可能電池を備えるのが典型的な携帯型電子デバイスまで、大きな視
野及び数メートルより大きな範囲にわたり安全に電力を移送する未だ対処されていない必
要性が存在する。
【０００７】
コリメートされた又は本質的にコリメートされた電磁波、特にレーザビームを使用して
、居住環境において電力を移送する試みがいくつかなされている。しかしながら、かかる
製品の、大量市場にとっての商業的な利用可能性は、現在のところ限られている。かかる
商業的なシステムを立ち上げる前に、いくつかの問題を解決する必要がある。すなわち、
安全なシステムを開発するべきである。
コスト効果の高いシステムを開発するべきである。
ほこり及び指紋又は液体のこぼれのような汚染、振動、ビーム阻止、専門外の者による設
置、並びに時々の床への落下を含む通常の家庭環境のハザードに耐えることができるシス
テムを開発するべきである。
【０００８】
現在許容されている送信レーザ電力レベルは、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、米国においては、２０１４年４月改定の連邦規則
集、タイトル２１第８巻（２１ＣＦＲセクション８）、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う。可視範囲外の波長に対
し、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、ＩＩ
ａ及びＩＩＩａは、４００ｎｍ～７１０ｎｍのレーザ、例えば可視レーザである）。可視
範囲外のレーザについて、クラス１は一般公衆使用に対して安全とみなされるが、クラス
ＩＩＩｂ及びＩＶは危険とみなされる。
【０００９】
ここで図２を参照する。これは、０．１～６０秒の露光に対する上記２１ＣＦＲセクシ
ョン８によるクラスＩレーザの、瞳孔径７ｍｍに対するＭＰＥ（最大許容露光値（Ｍａｘ
ｉｍａｌＰｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅＥｘｐｏｓｕｒｅＶａｌｕｅ））を示すグラフで
ある。上記グラフから以下のことがわかる。（ｉ）最大許容露光レベルは一般に（ただし
必ずというわけではない）、波長とともに増加し、（ｉｉ）２１ＣＦＲセクション８に規
定される要件を満たすべく、人がビームに入って０．１秒後にレーザがオフにされても、
２．５μよりも長い波長において１．２５Ｗを超えない光が送信され得る。波長が短くな
れば限界桁数も小さくなる。すなわち、ある種の安全システムがなければ、ほんの数ミリ
ワットのレーザ電力が送信され得る。これは、完全に電気に変換し戻されても、ほとんど
の携帯型電子デバイスを充電するのに必要な電力よりも有意に小さな電力の供給となる。
例えば、セルラー電話機は、充電するのに機種に応じて１～１２Ｗを必要とする。
【００１０】
クラス１レーザＭＰＥよりも高い電力を送信するには、安全システムが必要となる。訓
練を受けてない人が近づき得る居住環境において有意なレベルの電力を送信するものは、
出願人の知る限りにおいて、未だに商用化されていない。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許