(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電界と誘導界を同時に電力伝送に用いるため、送信機と受信機との間で電磁波により電力を伝送するためのアンテナに容量素子および誘導素子を形成し、前記送信機の送信周波数を可変とし、前記送信機から送出され前記受信機から反射される電磁波に変調を施し、該変調を施された反射波を復調して得られた側帯波が所望の値になるよう搬送波周波数を制御し、前記送信機と前記受信機間の電力伝送効率を制御する周波数可変フレネル領域電力伝送システムに用いられ、
アンテナと周波数可変搬送波発生装置と方向性結合器と復調器と制御回路を具備し、前記アンテナが受信した反射波を前記方向性結合器で分離したのち反射波を前記復調器で復調して、復調信号を用いて前記周波数可変搬送波発生装置の周波数を可変とする
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項２】
請求項１において、
前記送信機が変調器を具備し、搬送波に変調を施し、該変調の周波数が前記受信機によって施される反射波に対する変調周波数より高い
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項３】
請求項１において、
前記送信機は前記受信機からの反射波を予め定められた間隔で復調し、前記送信機の搬送波周波数を適応的に制御する
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項４】
請求項３において、
前記送信機が変調器を具備し、搬送波に変調を施し、該変調の周波数が前記受信機によって施される反射波に対する変調周波数より高い
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項５】
請求項１において、
前記送信機が前記受信機からの反射波を復調して得られた側帯波の振幅をモニタし、同振幅が最大と成るように前記送信機の搬送波周波数を適応的に制御する
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項６】
請求項５において、
前記送信機が変調器を具備し、搬送波に変調を施し、該変調の周波数が前記受信機によって施される反射波に対する変調周波数より高い
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項７】
請求項５において、
前記送信機は前記受信機からの反射波を予め定められた間隔で復調し、前記送信機の搬送波周波数を適応的に制御する
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項８】
請求項７において、
前記送信機が変調器を具備し、搬送波に変調を施し、該変調の周波数が前記受信機によって施される反射波に対する変調周波数より高い
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力送信機。
【請求項９】
静電界と誘導界を同時に電力伝送に用いるため、送信機と受信機との間で電磁波により電力を伝送するためのアンテナに容量素子および誘導素子を形成し、前記送信機の送信周波数を可変とし、前記送信機から送出され前記受信機から反射される電磁波に変調を施し、該変調を施された反射波を復調して得られた側帯波が所望の値になるよう搬送波周波数を制御し、前記送信機と前記受信機間の電力伝送効率を制御する周波数可変フレネル領域電力伝送システムに用いられ、
アンテナと該アンテナに並列に挿入されたスイッチング素子と制御回路とメモリと整流回路を具備し、前記制御回路が予め前記メモリに記憶された一定のタイミングで前記スイッチング素子をオン／オフする
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力受信機。
【請求項１０】
請求項９において、
複数の平滑回路を伴う前記整流回路が前記アンテナ上の複数の点に分布配置され、該複数の平滑回路の出力が合成線路により合成される
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力受信機。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記合成線路が前記アンテナを構成する導体の裏面に配置される
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力受信機。
【請求項１２】
請求項９において、
複数の容量素子および誘導素子が前記アンテナ上の複数の異なる二点間に分布配置される
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力受信機。
【請求項１３】
請求項１２において、
複数の平滑回路を伴う前記整流回路が前記アンテナ上の複数の点に分布配置され、該複数の平滑回路の出力が合成線路により合成される
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力受信機。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記合成線路が前記アンテナを構成する導体の裏面に配置される
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力受信機。
【請求項１５】
静電界と誘導界を同時に電力伝送に用いるため、送信機と受信機との間で電磁波により電力を伝送するためのアンテナに容量素子および誘導素子を形成し、
前記送信機の送信周波数を可変とし、
前記送信機から送出され前記受信機から反射される電磁波に変調を施し、該変調を施された反射波を復調して得られた側帯波が所望の値になるよう搬送波周波数を制御し、前記送信機と前記受信機間の電力伝送効率を制御する
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力伝送システム。
【請求項１６】
請求項１５において、
一つの前記送信機と複数の前記受信機により構成され、前記送信機は複数の異なる周波数を持つ搬送波を送信し、前記受信機は特定の一つの搬送波を用いて前記送信機からの電力伝送を行う
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力伝送システム。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記異なる周波数の搬送波に関する周波数可変の制御を時間軸上の異なる時点で順次行い、この動作を繰り返す
ことを特徴とする周波数可変フレネル領域電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いて電力を伝送するシステム、装置、およびその伝送方式に係り、特に静電界および誘導界が放射界と比べて電磁界のエネルギ相互作用に主要な役割を果たすフレネル領域における電力伝送に好適な、電力伝送システム、電力送信装置、および電力伝送方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線による電力伝送のうち伝送すべき電力が小さい場合の技術として、送信機から発射された電磁波の放射界成分を用いて、受信機は同電磁界を捕捉し交流電流とし整流によって電源として使用可能な電力を得る、いわゆる「バッシブＲＦＩＤ」と呼ばれる技術があった（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】ＲＦＩＤハンドブック第２版（Ｋｌａｕｓ  Ｆｉｎｋｅｎｚｅｌｌａｒ著、ソフト工学研究所訳、日刊工業新聞社刊、２００４年５月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
無線技術の進歩に伴い、多くの情報量を電磁波に乗せて無線で伝送することが可能となっている。これに伴い情報機器は、情報の送受媒体としての有線を可能な限り削除することで、結線による利便性の低下を克服してきた。しかしながら情報機器を動作させるための電力の供給の主流は未だに有線であり、多くの情報機器は有線結合から開放された設置および移動に事実上制約が無い状況には至っていない。【０００４】
無線による電力伝送は、伝送すべき電力が小さい場合は既に一部実用化されている。その代表的なものは「バッシブＲＦＩＤ」と呼ばれるもので、送信機から発射された電磁波の放射界成分を用いて、受信機は同電磁界を捕捉し交流電流とし整流によって電源として使用可能な電力を得ている。この技術については、上述の非特許文献１に述べられている。ＲＦＩＤの受信機が用いる電力は現状数マイクロワット程度であり、一般の民生機器を稼動するのに必要とされる電力である数ワットから数十ワットオーダーと比べると桁違いに小さい。【０００５】
送信機から空間に放出される電磁界のエネルギ分布は、該放出点からの距離に伴う減衰の仕方により、静電界、誘導界、放射界の三者により構成され、それぞれ距離の３乗、２乗、１乗で減衰する。電力の放射点のごく近傍での、それぞれの界のエネルギ量は、静電界、誘導界、放射界の順で桁違いに減少する。従来技術のＲＦＩＤで用いられる無線電力伝送に関する電磁界は主に放射界あるいは誘導界であり、民生機器稼動を可能とする数ワットから数十ワットオーダーの電力伝送は実現されていない。送信機と受信機が電気的なコンタクトが無いが物理的に接触している場合あるいは極めて近接する場合は、静電界により数ワットオーダーの電力伝送は可能となるが、実使用上遠隔で電力を送ることにならず、無線で電力を伝送することによる、情報機器の設置および移動に関する利便性向上には不十分である。例えば家庭内あるいはオフィス内での画像機器を含む情報機器の現実の使用形態を考えると、１メートル内外距離を持つ遠隔での有線電源線を代替する電力の伝送が要求される。【０００６】
本発明の目的は、電磁界が有する静電界、誘導界、放射界のすべての界を用いて、従来技術の有線電源線を削除可能な実用上の遠隔無線電力伝送を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の代表的なものの一例を示せば、以下の通りである。すなわち、本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システムは、静電界と誘導界を同時に電力伝送に用いるため、送信機と受信機との間で電磁波により電力を伝送するためのアンテナに容量素子および誘導素子を形成し、送信機の送信周波数を可変とし、送信機から送出され受信機から反射される電磁波に変調を施し、該変調を施された反射波を用いて、送信機と受信機間の電力伝送効率を制御することを特徴とする。【０００８】
また、本発明の周波数可変フレネル領域電力送信機は、上記の周波数可変フレネル領域電力伝送システムに用いられ、アンテナと周波数可変搬送波発生器と方向性結合と復調回路と制御回路を具備し、アンテナが受信した反射波を方向性結合器で分離したのち反射波を復調して、復調信号を用いて搬送波発生器の周波数を可変とすることを特徴とする。【０００９】
また、本発明の周波数可変フレネル領域電力受信機は、上記の周波数可変フレネル領域電力伝送システムに用いられ、アンテナとアンテナに並列に挿入されたスイッチング素子と制御回路とメモリと整流回路を具備し、制御回路が予めメモリに記憶された一定のタイミングで該スイッチング素子をオン／オフすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一つであるフレネル領域で動作する無線電力伝送システムによれば、電磁波による電力伝送を行う場合に空間に生じる、静電界、誘導界、放射界をすべて用いるため、従来技術である、単独の界に着目した無線システムよりも高効率の電力伝送が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システムの第１の構成例を示す図である。
【図２Ａ】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用基地局の第１の構成例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの構成の周波数スペクトラムである。
【図２Ｃ】図２Ａの構成のタイムチャートである。
【図３】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システムの自動制御フローチャートである。
【図４】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システムの第２の構成例を示す図である。
【図５Ａ】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用基地局の第２の構成例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａの構成の周波数スペクトラムである。
【図５Ｃ】図５Ａの構成のタイムチャートである。
【図６Ａ】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用基地局の第３の構成例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの構成の周波数スペクトラムであって、周波数と振幅Ｈ１との関係を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ａの構成の周波数スペクトラムであって、周波数と振幅Ｈ２との関係を示す図である。
【図７】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用アンテナの構成例を示す斜視図である。
【図８】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用アンテナの構成例を示す平面図である。
【図９】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システムの第３の構成例を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用基地局の第４の構成例を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの構成のタイムチャートである。
【図１１Ａ】本発明の周波数可変フレネル領域電力伝送システム用基地局の第５の構成例を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの構成の周波数スペクトラムであって、周波数と振幅Ｈ１との関係を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａの構成の周波数スペクトラムであって、周波数と振幅Ｈ２との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００１２】
１…送信機、
２…受信機、
１０…送信機、
１１…アンテナ、
１２…方向性結合器、
１３…周波数可変搬送波発生装置、
１４…制御回路、
１５…復調器、
１６…変調器、
１７…演算回路、
１８…ミキサ、
１９…フィルタ、
２０…受信器、
２１…アンテナ、
２２…整流回路、
２３…スイッチング回路、
２４…平滑回路、
２５…制御回路、
２６…メモリ、
２７…復調器、
２８…演算回路、
２９…カプラ、
３３…周波数可変搬送波発生装置、
３４…制御回路、
４０…受信機、
４１…アンテナ、
４２…整流回路、
４３…スイッチング回路、
４４…平滑回路、
４５…制御回路、
４６…メモリ、
５３…周波数可変搬送波発生装置、
５４…制御回路、
６０…受信機、
６１…アンテナ、
６２…整流回路、
６３…スイッチング回路、
６４…平滑回路、
６５…制御回路、
６６…メモリ、
７０…合成回路、
８１…切替スイッチ、
８２…中央処理回路、
１００…アンテナ、
１０１…矩形導体、
１０２…リアクタンス素子、
１０３…ダイオード、
１０４…平滑回路、
１０５…合成線路、
１０６…負荷回路、
１１６…一時記憶、
２１９…フィルタ
３３６…一時記憶、
５５６…一時記憶。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
電磁界を用いて電力伝送を効率よく行うためには、電磁界による遠隔伝送能力の高い領域を用いることと、電磁界の有する静電界、誘導界、放射界の３成分をもれなく活用することが、特に重要である。電磁界の無線伝達特性は波長で規格化された距離の関数であるから、実用上利便性を損なわない距離において、なるべく遠隔伝送能力の高い静電界と誘導界が放射界に対して高いエネルギ密度を有する周波数にするべきである。静電界は距離の３乗で減衰するから、静電界のみが主体となる電磁界によるエネルギ伝送方式は送信機と受信機の距離を広げる為には得策でない。従って、静電界と誘導界が供に主体的に電磁界によるエネルギ伝送をする形態が本発明の課題を解決するためには最も好ましいことになる。【００１４】
静電界はコンデンサによる伝送が有効であり、誘導界はトランスによる伝送が有効である。このことは前者は容量性素子がエネルギ伝送に好適であり、後者は誘導性素子がエネルギ伝送に好適であると考えられる。従って、本発明の目的である、静電界と誘導界を供に主体時に用いるエネルギ伝送では、容量性素子と誘導性素子からなる等価回路網がエネルギの高効率伝送に寄与すると考えられる。そのような等価回路網は、誘導素子と容量素子で形成される共振回路を含むので、該共振回路の共振点において、該等価回路網のリアクタンス成分が極小となり、空間に蓄えられるエネルギが極小となり、送信機から受信機への極大のエネルギ伝送が達成される。【００１５】
このような極大のエネルギ伝送状態では無線による高効率電力伝送が可能となるが、結果として共振現象を用いているために、等価回路網の素子値の変化によりエネルギ伝送状態、即ち無線電力伝送効率が大きな影響を受ける。該等価回路網は送信機と受信機を含む空間に形成されるので、該等価回路網を形成する素子値の各々が送信機周辺および受信機周辺の電気的環境の変化に対して影響を受け、誘導素子と容量素子の積の関数となる共振回路の性質により、該変化に対する該無線電力伝送効率の変化は二次となる。このことは、静電界あるいは誘導界を単独で用いる電磁界によるエネルギ伝送系の一次の伝送効率変化とは性質を大きく異にし、本質的に無線電力伝送効率を高く出来る可能性を持っているがその安定性は低くなることを意味する。【００１６】
無線による電力伝送の主たる目的の一つは、情報機器の設置および移動に関する利便性向上であるから、このような無線電力伝送効率の安定性の劣化は解決しなければならない課題となる。送信機と受信機を含む空間に形成される等価回路網はインピーダンス関数で表現できるから、同回路網のリアクタンス値は周波数の関数である。従って、送信機から受信機に到達する電磁界の周波数を変化させることで、該等価回路網を構成するリアクタンス値を変化させることができる。送信機の周波数を変化させるということは、送信機から空間に放射される電磁界の周波数が広域に広がることを意味する。一般に電磁界を使用する無線システムは多く存在するので、無線による電力伝送に使用する周波数はなるべく少ない種類が望ましく、従って送信機が変化させる周波数の幅も狭いほうが望ましい。このため、該周波数の変化に伴い該等価回路網を形成するリアクタンス値が大きく変化することが望ましい。このことは、該リアクタンスのＱ値が高いことを意味し、送信機および受信機を含む空間に高Ｑキャパシタおよび高Ｑインダクタを具備させることで実現できる可能性がある。受信機あるいは送信機と空間の間で電磁波のエネルギを交換する役割を果たすのが、アンテナでありこのアンテナの使用される周波数領域における電気的特性が高Ｑのキャパシタおよび高Ｑのインダクタを含む回路動作と同様であればよい。このようなアンテナは、予め定められた二次元領域を微小の矩形領域で分割し、該微小矩形領域に導体があるかないかの組み合わせと、お互いに近傍に存在する一組の該微小矩形導体の間に高Ｑのキャパシタあるいは高Ｑのインダクタを接続する組み合わせにおいて、該組み合わせを総当り的に探索し、且つ高Ｑのキャパシタあるいは高Ｑのインダクタの適当な素子値を局所最適化手法により求めることにより見つけ出すことが可能である。【００１７】
このように、アンテナを受信機のアンテナとして採用し送信機の送信周波数を変化させることにより、送信機および受信機を含む空間の電気的環境の変化に対応する無線電力伝送効率を最適な状態に向けて制御することが可能となるが、送信機の周波数を変えるための基準信号が得られれば該制御をリアルタイムに実現でき、結果として無線電力伝送効率の適応型制御が可能となる。この問題を解決する為に、受信機のアンテナに並列にスイッチング素子を挿入し、該スイッチング素子のオン／オフを予め定められたタイミングで行う。この動作によって、アンテナは２値の負荷インピーダンスを交互に切り替えられるので、該アンテナの外部電磁界に対する反射係数が変化し、結果として送信機に到達する反射波は振幅変調が施され、送信機の送信周波数に周波数を異にする側帯波が発生する。送信機から放出されて受信機で反射する電磁界の成分は微弱であるが、該側帯波と送信周波数は周波数が異なる為、従来技術により容易に検出可能である。そのような従来技術の一つとしてバツクスキャッタリングを用いたＲＦＩＤの受信機反射波の識別法があり、その詳細は、上述の非特許文献１に述べられている。【００１８】
従来技術の民生用情報機器の使用形態を考慮すれば、一つの無線電力伝送用送信機に複数の受信機が所謂多元接続することが考えられる。そのような要求に対しては送信機が異なる周波数を異なる受信機に対して割り当てる事が考えられる。これは無線通信分野で一般に行われている周波数多重多元接続の方法のアナロジーである。しかしながら、本発明からなる無線電力伝送では送信機が送出する電磁波の周波数の変化を予め予測できないので、異なる受信局を識別する必要が生じる。この課題に対しては、各受信機で送信機から送出される電磁波に対してアンテナの負荷インピーダンスを変化させることで施す変調を異なるものとする。具体的には、変調周波数、変調周期を各受信機で固有にする手法や、変調信号自体に、例えば受信機の固有ＩＤ等の、何らかの情報を載せる手法が考えられる。【００１９】
本発明の無線電力伝送方式では、無線電力伝送効率の適応型による最適化制御を行うために、送信機および受信機で形成される無線回線に制御情報が伝送されていることになる。このことは本発明の無線電力伝送方式が情報伝送を可能とする回線を形成していることを意味する。この特性を利用して、送信機に変調器を搭載して送出する電磁波に何らかの情報を重畳して、電力のみならず情報も伝送する、所謂「電力と情報の両立伝送」を実現することができる。フレネル領域を用いて、実用上利便性高い無線電力伝送を実現する為には、用いる電磁波の波長を長くせざるを得ない。一例として、１メートルの無線電力伝送を考えれば、誘導界と静電界が活用できる波長領域である十分の一波長程度を想定して周波数は３３ＭＨｚとなり、通常のＡＭ変調を考えれば数Ｍｂｐｓの伝送速度での「電力と情報の両立伝送」が実現可能である。この場合、無線電力伝送の適応型伝送効率制御を同時に行う必要があるため、送信機の変調周波数は同適用制御に用いられる側帯波の周波数と識別可能な程度に十分離れている必要がある。通常制御用の信号は情報量を大きく持つ必要が無いので、送信機が送出する電磁波に重畳される信号の伝送速度は、受信機が該電磁波の反射波に重畳する信号の伝送速度より大きくすればよい。【００２０】
本発明の技術を用いてアンテナから得られる電力は高周波の交流電力であり、この電力を電源として用いるために整流により直流電力に変換する必要がある。フレネル領域で用いられる周波数帯は数十ＭＨｚであり、一方必要とされる電力は数ワットオーダーである。交流電力を直流電力に変換する半導体デバイスはダイオードであるが、一般にダイオードは動作周波数と動作耐圧は反比例する。低損失且つ高周波領域で動作するダイオードは構造を微細化することで実現できるが、構造微細化に伴い逆耐圧電力が減少するためである。このため、受信機に装着するダイオードは大電力を得る為に複数用いる必要がある。整流後の電力は直流電力でありその合成に際しては、高周波特有の位相の不整合に関する合成損失および電力合成線路のオーム損に関する伝送損失を考慮する必要は本質的にない。従って、アンテナの複数の箇所にダイオードとコンデンサと負荷抵抗からなる整流回路と平滑回路を分散配置し、各々の平滑回路の出力である直流電力をアンテナを構成する導体とは異なる導体からなる結合線路で合成することにより、高効率の整流効率を実現することが可能となる。この際、該結合線路がアンテナ特性に影響を与えないように、該アンテナを構成する微小導体の背面に沿って配置する。【００２１】
以下、図を参照しつつ、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの一実施例の構成を示す図であり、第一のアンテナ１１に方向性結合器１２が結合し、該方向性結合器１２に周波数可変搬送波発生装置１３がアンテナ１１に信号を供給する方向で結合し、該周波数可変搬送波発生装置１３はアンテナ１１から方向性結合器１２を介して信号が送られる復調器１５の復調信号を用いて制御回路１４によって制御される送信機１と、リアクタンス素子群２１ａが装荷された第二のアンテナ２１と該第二のアンテナ２１の出力を整流する整流回路２２が平滑回路２４と供に結合し、該平滑回路２４の出力を電源とする制御回路２５がメモリ２６を伴い、第二のアンテナ２１に並列に挿入されたスイッチング素子からなるスイッチング回路２３を制御する受信機２からなっている。【００２３】
送信機１から送出された周波数可変搬送波発生装置１３の出力は受信機２の第二のアンテナ２１の入力となり整流回路２２で整流され、平滑回路２４で平滑され制御回路２５を駆動し、該制御回路２５はメモリ２６に予め書き込まれた時間シーケンスに従ってスイッチング回路２３を開閉する。スイッチング回路２３の開閉により、第二のアンテナ２１の負荷インピーダンスが変化するため、該第二のアンテナ２１で反射される電磁波はメモリ２６のデータに従った変調を受け、第一のアンテナ１１より送信機１に取り込まれ方向性結合器１２を介して復調器１５によってこの情報が制御回路１４にもたらされる。制御回路１４は復調された情報を用いて、受信機２の受信電力が最大になるように周波数可変搬送波発生装置１３の搬送波周波数を変化させる。【００２４】
方向性結合器１２は周波数可変フレネル領域電力伝送システムが伝送する電磁波の周波数に応じて、サーキュレータやハイブリッドラインおよび半波長カプラ等で実現できる。スイッチング回路２３はトランジスタやピンダイオード等を用いて実現できる。【００２５】
受信機２が具備する第二のアンテナ２１にはリアクタンス素子が装荷されている為に、搬送波周波数の変化に伴って、アンテナの自己インピーダンスが変化し送信機１より送出された電磁波を伝送する受信機２近傍の空間と受信機２の内部の整流回路２２との整合状態を適応的に制御可能となる。両者の整合状態が良好であるときは、第二のアンテナ２１から反射される電磁波の量が少なくなるので、スイッチング回路２３のオン／オフによって生成される反射波のオン／オフ比も大きくなり、反射波に施される変調度が上がり反射波内部の側帯波の振幅が大きくなる。【００２６】
従って、送信機１の制御回路１４が該側帯波振幅を最大とするように周波数可変搬送波発生装置１３の搬送波周波数を制御すれば、送信機１から受信機２への電力伝送を動的に最適化することが可能となり、換言すれば電力伝送効率の適応的最適化が実現できる。
【実施例２】
【００２７】
図２は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの一実施例である図１のフレネル領域電力伝送システムに用いられる送信機の構造の他の実施例（図２Ａ）と受信反射波の周波数スペクトラムの時間変化（図２Ｂ）および制御回路の動作のタイムチャート（図２Ｃ）を示す図である。図１の実施例の基地局と異なる点は、制御回路１４が一時記憶１１６を具備する点である。【００２８】
送信機１の制御回路１４は一時記憶１１６に予め定められた、許容最大周波数ｆｍａｘ、許容最小周波数ｆｍｉｎ、周波数更新値Δｆ、固有中心周波数ｆｃ０を有しており、制御回路１４はまず、初期化手順として周波数可変搬送波発生装置１３の搬送波周波数をｆｃ０に設定し、側帯波の暫定最大値を０として、周波数の変更の暫定方向の値を正とする。受信した反射波の側帯波の振幅を該暫定最大値と比較して、大きな振幅が得られている場合は周波数可変搬送波発生装置１３の搬送波周波数をΔｆ分だけ周波数の変更の暫定方向に進めて該暫定最大値を更新し、小さな振幅が得られている場合は周波数可変搬送波発生装置１３の搬送波周波数をΔｆ分だけ周波数の変更の暫定方向とは逆方向に進め暫定方向を逆向きにする。【００２９】
更新された周波数可変搬送波発生装置１３の周波数が、ｆｍａｘとｆｍｉｎの間に存在している間はこの制御を繰り返し、ｆｍａｘを超えた場合とｆｍｉｎを下回る場合は、当初の初期化手順へと戻る。これら制御のフローチャートを図３に示す。【００３０】
このような処理により周波数軸上では、周波数可変フレネル領域電力伝送システムが用いる電磁波の周波数スペクトラムは図２Ｂのようにｆｍａｘとｆｍｉｎの間を動的に変化する。制御回路１４および周波数可変搬送波発生装置１３のタイムチャートは図２Ｃに示されるように、一定周期Ｔｐごとに制御回路１４は周波数可変搬送波発生装置１３の周波数を更新する制御手続きを時間Ｔｃの間に行う。制御手続きの結果に従って、該制御手続き終了後に周波数可変搬送波発生装置１３は送出周波数を変化させる。更新すべき周波数が以前の周波数と同一の場合は、同一の周波数で周波数可変搬送波発生装置１３は電磁波を送出する。図２Ｃの例では、二回目の周波数更新は行われていない。【００３１】
本実施例によれば従来技術の自動制御技術を用い、具体的な制御アルゴリズムにて電力伝送効率の適応的最適化が実現できる。
【実施例３】
【００３２】
図４は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの他の実施例の構造を示す図である。図１の実施例の基地局と異なる点は、送信機１が変調器１６および演算回路１７を具備すること、および受信機２が演算回路２８と復調器２７とカプラ２９とフィルタ２１９を具備することで、変調器１６は方向性結合器１２と周波数可変搬送波発生装置１３の間に挿入され、演算回路１７は制御回路１４と復調器１５と変調器１６を集中管理し、演算回路２８はメモリ２６の情報を用いて制御回路２５を制御すると供に第二のアンテナ２１と整流回路２２の間に挿入されたカプラ２９によって分岐された該アンテナ２１が受信した電磁波のエネルギの一部をフィルタ２１９を介し入力とする復調器２７を集中管理する。変調器１６の変調周波数は受信機２が送信機１からの反射波に変調を掛けるスイッチング回路２３のスイッチング周波数よりも高く取られる。【００３３】
従って、フィルタ２１９を広域通過フィルタとすることで送信機１から送出される電磁波に変調器１６によって重畳された情報を受信機２の復調器２７で復調できるので、無線による電力と情報の両立性伝送を実現する効果がある。
【実施例４】
【００３４】
図５は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの他の実施例である図４の周波数可変フレネル領域電力伝送システムの送信機の構造（図５Ａ）と受信反射波の周波数スペクトラムの時間変化（図５Ｂ）および制御回路の動作のタイムチャート（図５Ｃ）を示す図である。演算回路１７は図５Ｂに示されるように、搬送波の持つ二種の側帯波のうち、離調周波数の少ない方を選択し周波数可変搬送波発生装置１３の制御信号として、制御回路１４に供給する。周波数可変搬送波発生装置１３の制御方法は図２の実施例と同様である。【００３５】
電力伝送効率の適応的制御に用いられる信号の周波数成分と送信機１が固有に施す変調の周波数が異なるので、受信機２が何らかの情報を電力伝送と供に得られる効果があり、送信機１が変調器１６の変調信号に演算回路１７が情報を付加する事により、無線による電力と情報の両立性伝送が可能となる。
【実施例５】
【００３６】
図６は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの他の実施例の送信機の構造（図６Ａ）と受信反射波の周波数スペクトラムの時間変化（図６Ｂ、図６Ｃ）を示す図である。図５の実施例の基地局と異なる点は、送信機１がミキサ１８およびフィルタ１９を具備することで、ミキサ１８は方向性結合器１２と復調器１５の間にフィルタ１９を介して挿入され、該ミキサ１８は高周波信号としてアンテナ１１より方向性結合器１２を介して得られる受信機２からの変調が施された反射波および局発信号として周波数可変搬送波発生装置１３の出力の一部を入力とし、復調器１５に搬送波と比べて低い周波数成分を有する低周波信号を側帯波信号として供給する。ミキサ１８が発生する高い周波数成分の信号はフィルタ１９を低域通過型フィルタとすることで復調器１５の入力から除外することができる。図６Ｂ、図６Ｃはミキサの高周波入力と低周波出力の周波数スペクトラムを示す図である。【００３７】
本実施例によれば、復調器１５は高周波信号を取り扱わなくて良いので、該復調器１５の回路規模を小さくすることができる。また、このような低い周波数帯では従来技術のアナログ・デジタル変換機を用いることができるので、復調器１５の復調処理をデジタル信号処理を用いて行うことが出来、回路の一層の小型化と復調精度の向上が実現可能となる。
【実施例６】
【００３８】
図７は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムに用いられる受信機のアンテナの一実施例の構造を示す図であり、微小の矩形導体１０１からなるアンテナ１００にリアクタンス素子１０２とダイオード１０３が分布的に装荷されている。ダイオード１０３には各々平滑回路１０４が並列に結合しており、該ダイオード１０３による整流出力を平滑して直流とし合成線路１０５により直流領域で電力合成し、負荷回路１０６の電源とする。【００３９】
リアクタンス素子１０２およびダイオード１０３が装荷されている場所では微小の矩形導体１０１は電気的に離されており該矩形導体１０１による高周波電流のショートが生じないような構造としている。合成線路１０５は微小矩形１０１の背面にのみ近接して配置されるので、該微小の矩形導体１０１の集合体からなるアンテナの特性にはほとんど影響を与えない。アンテナ構造がリアクタンス素子を含むので本発明のアンテナは周波数の変化に対して大きく自己インピーダンスを変化させることができる。このため、本発明からなる搬送波周波数を可変パラメータとする電力伝送効率の自動制御には好適な構造となっている。【００４０】
一般に半導体は、高周波特性と耐圧特性はトレードオフの関係にある。本発明のアンテナ構造では複数のダイオードを分布配置し、各ダイオードの整流出力を直流的に合成しているので、一つのダイオード当りに加わる電力を小さく出来るので、送信機と受信機の間で大きな電力を伝送する場合においても、高周波特性に優れたダイオードが使用可能であり、結果として電力の伝送効率を向上させる効果がある。
【実施例７】
【００４１】
図８は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムに用いられる受信機のアンテナの一実施例の他の構造を示す図であり、微小の矩形導体１０１が最大１０×１０枚配置出来うる空間に、リアクタンス素子としてインダクタとキャパシタを複数分布装荷した構造を有する。【００４２】
本実施例ではダイオードは一つで、従って、図７の実施例の合成線路は存在しない。本アンテナは、周波数９５０ＭＨｚ、微小矩形導体寸法５ｍｍ□、送信機と受信機の距離１０ｃｍの条件において、該微小矩形領域に導体があるかないかの組み合わせと、お互いに近傍に存在する一組の該微小矩形導体の間に高Ｑのキャパシタあるいは高Ｑのインダクタを接続する組み合わせにおいて、該組み合わせを総当り的に探索し、且つキャパシタおよびインダクタの適当な素子値を局所最適化手法により求めることにより見つけ出された構造である。インダクタおよびコンデンサによって実現されるリアクタンス値は使用周波数である９５０ＭＨｚにおいて−ｊ１００オームから＋１００ｊオ−ムの間である。【００４３】
本実施例によって、図７の構造のアンテナの構造の一例を、金属、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップダイオードで実現することが出来る。
【実施例８】
【００４４】
図９は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの他の実施例の構造を示す図である。図１の実施例の基地局と異なる点は、一つの送信機１０に対して、複数の受信機２０、受信機４０、受信機６０がシステム内に存在し、送信機１０は第二の周波数可変搬送波発生装置３３と第二の制御回路３４および第三の周波数可変搬送波発生装置５３と第三の制御回路５４と、合成回路７０を新たに具備し、都合三組の周波数可変搬送波発生装置と制御回路は並列的に復調器１５に図１の実施例と同様に結合し、三つの周波数可変搬送波発生装置の出力は合成回路７０によって合成され、アンテナ１１に方向性結合器１２を介して供給される。周波数可変搬送波発生装置１３と周波数可変搬送波発生装置３３および周波数可変搬送波発生装置５３の搬送波周波数は異なるものを採用する。【００４５】
本実施例によれば、一つの送信機で複数の受信機に電力を高効率に伝送できるので、受信機一つあたりの送信機の数を削減でき、結果として無線電力伝送システムの設置コスト低減に効果がある。
【実施例９】
【００４６】
図１０は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの他の実施例である図９の周波数可変フレネル領域電力伝送システムの送信機の構造（図１０Ａ）と制御回路の動作のタイムチャート（図１０Ｂ）を示す図である。図１の実施例の基地局と異なる点は、制御回路１４が一時記憶１１６を具備し、制御回路３４が一時記憶３３６を具備し、制御回路５４が一時記憶５５６を具備する点である。【００４７】
制御回路１４と制御回路３４および制御回路５４は一時記憶１１６と一時記憶３３６および一時記憶５５６を用いて、図３のフローチャートに示される手続きと同様の制御を行う。但し、送信機１０は複数の受信機に対して無線電力伝送の制御をする必要があるため、送信機全体としての制御の手順に差異がある。即ち、送信機１０が受信機２０と受信機４０および受信機６０に対する無線電力伝送効率の自動制御を行うために、時間軸上でこれら三種の制御をシリーズに行う。【００４８】
図１０Ｂの周波数可変搬送波発生装置による搬送波送出と制御回路による周波数制御に関するタイムチャートに示されるように、送信機１０は周期Ｔｑで受信機２０と受信機４０および受信機６０に対する周波数制御に関する手続きを時間Ｔｃ内に順次行い、該周波数制御に関する手続きの結果を周波数可変搬送波発生装置１３と周波数可変搬送波発生装置３３および周波数可変搬送波発生装置５３の送出周波数に順次反映する。結果として、各受信機が送出する搬送波周波数は少なくともＴｐの時間維持され、本実施例では一台の送信機に対して受信機が三台あるので、ＴｐはＴｑの三倍に等しくなる。【００４９】
本実施例によれば、図９の実施例の効果に図２の実施例の効果を併せ持たせることが出来る。
【実施例１０】
【００５０】
図１１は本発明からなる周波数可変フレネル領域電力伝送システムの他の実施例の送信機の構造（図１１Ａ）と受信反射波の周波数スペクトラムの時間変化（図１１Ｂ、図１１Ｃ）を示す図である。図１０の実施例の基地局と異なる点は、送信機１０がミキサ１８とフィルタ１９と切替スイッチ８１および中央処理回路８２を具備することで、ミキサ１８は方向性結合器１２と復調器１５の間にフィルタ１９を介して挿入され、該ミキサ１８は高周波信号としてアンテナ１１より方向性結合器１２を介して得られる受信機２からの変調が施された反射波および局発信号として、中央処理回路８２で制御された切替スイッチ８１を介した周波数可変搬送波発生装置１３あるいは周波数可変搬送波発生装置３３あるいは周波数可変搬送波発生装置５３の出力の一部を入力とし、復調器１５に搬送波と比べて低い周波数成分を有する低周波信号を側帯波信号として供給する。ミキサ１８が発生する高い周波数成分の信号はフィルタ１９を低域通過型フィルタとすることで復調器１５の入力から除外することができる。図１１Ｂ、図１１Ｃはミキサの高周波入力と低周波出力の周波数スペクトラムを示す図である。【００５１】
本実施例によれば、復調器１５は高周波信号を取り扱わなくて良いので、該復調器１５の回路規模を小さくすることができる。更に、復調器１５に供給される信号の周波数帯域が受信機２０と受信機４０と受信機６０に対する無線電力伝送によらず一定となるので、復調器自体の適応周波数帯域を狭く出来るので、該復調器１５の回路構成とりわけフィルタの構成を簡略化する効果がある。また、このような低い周波数帯では従来技術のアナログ・デジタル変換機を用いることができるので、復調器１５の復調処理をデジタル信号処理を用いて行うことが出来、回路の一層の小型化と復調精度の向上が実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のフレネル領域で動作する無線電力送信機および受信機、並びにそれらを含んで構成される無線電力伝送システムによれば、電磁波による電力伝送を行う場合に空間に生じる、静電界、誘導界、放射界をすべて用いるため、従来技術である、単独の界に着目した無線システムよりも高効率の電力伝送が可能となる。【００５３】
また、該高効率の無線電力伝送の代償とも言える、送信機および受信機を含む空間の電気的環境変化に伴う、伝送効率の大きな変動を、送信機の送信周波数を可変とし、受信機のアンテナにリアクタンス素子を装荷し周波数変化に対する受信機を含む空間の電気的環境変化の相殺効果を大きくし、更に、周波数変換電力伝送をする為の無線回線そのものを使用して受信機における電力伝送効率を等価的にモニタすることにより、同送信周波数を制御パラメータとして無線電力伝送効率を適応型に最適制御可能とする装置および伝送方式を実現できる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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