(57)【要約】【課題】１つの送電器で可能な限り広い範囲のセンサに電力を供給するとともに、センサの設置場所の制約を低減すること。【解決手段】無線給電センシング装置１は、設備状態情報を取得するセンサ２０４と、電力を生成し、その電力を空間へ放射する送電器１０１と、電力を受電し、その電力をセンサ２０４に供給し、センサ２０４から設備状態情報を収集する受電器２０１と、を有する。センサ２０４と受電器２０１とが、別体であり、電気的に接続されている。【選択図】図１
2019161746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設備状態情報を取得するセンサと、
電力を生成し、該電力を空間へ放射する送電器と、
前記電力を受電し、該電力を用いて動作するとともに該電力を前記センサに供給し、該センサから前記設備状態情報を収集する受電器と、を有し、
前記センサと前記受電器とが、別体であり、電気的に接続されている、
無線給電センシング装置。
【請求項２】
前記センサは、複数設けられている、
請求項１に記載の無線給電センシング装置。
【請求項３】
前記センサと前記受電器とが、電気配線を介して接続されている、
請求項１または２に記載の無線給電センシング装置。
【請求項４】
１つの前記送電器と、複数の前記受電器と、を有し、
複数の前記受電器は、それぞれ、１つの前記送電器から放射された前記電力を受電する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の無線給電センシング装置。
【請求項５】
前記送電器は、
高周波電力を生成し、該高周波電力を空間へ放射し、
前記受電器は、
前記高周波電力を受電し、該高周波電力を直流電力へ変換し、該直流電力を用いて動作するとともに、該直流電力を前記センサに供給する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の無線給電センシング装置。
【請求項６】
前記受電器は、
前記設備状態情報を前記送電器へ無線送信し、
前記送電器は、
前記受電器から受信した前記設備状態情報を記憶する情報収集部を有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の無線給電センシング装置。
【請求項７】
前記受電器は、
前記設備状態情報を前記送電器以外の機器へ無線送信する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の無線給電センシング装置。
【請求項８】
前記受電器は、
前記電力の受電と、前記設備状態情報の送信とで異なるアンテナを用いる、
請求項６または７に記載の無線給電センシング装置。
【請求項９】
前記受電器は、
前記電力の受電と、前記設備状態情報の送信とで同じアンテナを用いる、
請求項６または７に記載の無線給電センシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信を用いて電力供給および情報送信を行う無線給電センシング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な機器をインターネットに接続し、各機器から膨大なデータを収集し、そのデータを分析するＩｏＴ（Internet of Things）が普及している。例えば、工場内の生産設備から様々な情報を収集し、その情報を分析することにより、生産性や品質向上に繋げる取り組みが行われている。
【０００３】
このような情報収集を行うためには、各設備をネットワークに接続する必要があるが、既存の古い設備には、ネットワークに接続する機能がない場合がある。このような古い設備には、配線工事などを行って、専用のネットワークに接続可能なデータ収集装置を設置する必要がある。
【０００４】
これに対し、カメラにより撮影された設備の操作盤の画像を分析することで、設備の状態を把握する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法では、設備に手を加えることなく、設備の情報を収集することが可能となる。この方法では、設備自体に手を加える必要はないが、設備毎にカメラを設置する必要がある。また、この方法では、収集できる情報が、操作盤に表示されている情報に限定される。
【０００５】
これに対し、無線機能を備えた多数のセンサを後付けで設備に設置することにより、センサネットワークを構築し、無線通信により設備から大量の情報を収集する方法がある。
【０００６】
この方法では、センサを簡単に設備に設置できるとともに、様々な種類の情報を収集できるが、多数のセンサに対して電源を供給する方法が課題となる。この課題に対しては、電波を用いて電源をセンサに供給する方法がある。
【０００７】
従来の無線給電センシング装置の一例を図７に示す。送電器１１１は、高周波の発振部１１２と、アンテナ１１３とを有する。受電機能付きセンサ１０４は、アンテナ１０５と、センサ１０６とを有する。発振部１１２で生成された高周波電力は、アンテナ１１３から電磁波として放射され、空間を伝わり、複数の受電機能付きセンサ１０４へ到達し、アンテナ１０５で受電される。受電された高周波電力は、直流電力に変換された後、センサ１０６の電源として活用される。
【０００８】
この無線給電センシング装置では、送電器１１１から電波が届く範囲にある複数の受電機能付きセンサ１０４へ電力を供給することが可能となり、電池交換や配線が不要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１７−６９９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した従来の無線給電センシング装置では、センサと受電機能とが一体化されているため、センサの設置場所に制約があった。例えば、金属物で囲われた設備の内部にセンサが設置されている場合、送電器からの電波が届かず、センサに十分な電力を供給することができない。
【００１１】
また、上述した従来の無線給電センシング装置では、センサが送電器から見通しが悪い場所（例えば、送電器からみて、設備の裏側や影になる箇所）に設置された場合も、送電器からの電波が届かず、センサに十分な電力が供給できない。この場合、それぞれのセンサに対応して、見通しの良い場所に送電器を設置する必要があり、送電器の設置数が増えてしまう。
【００１２】
本発明の目的は、１つの送電器で可能な限り広い範囲のセンサに電力を供給できるようにするとともに、センサの設置場所の制約を低減する無線給電センシング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係る無線給電センシング装置は、設備状態情報を取得するセンサと、電力を生成し、該電力を空間へ放射する送電器と、前記電力を受電し、該電力を用いて動作するとともに該電力を前記センサに供給し、該センサから前記設備状態情報を収集する受電器と、を有し、前記センサと前記受電器とが、別体であり、電気的に接続されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、１つの送電器で可能な限り広い範囲のセンサに電力を供給でき、センサの設置場所の制約を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る無線給電センシング装置を示す図
【図２】本発明の実施の形態に係る設備状態情報の第１の伝送例を説明する図
【図３】本発明の実施の形態に係る設備状態情報の第２の伝送例を説明する図
【図４】本発明の実施の形態に係る受電器の構成の一例を示す図
【図５】本発明の実施の形態に係る受電器の構成の他の例を示す図
【図６】本発明の実施の形態に係る無線給電センシング装置を生産設備に適用する場合を説明する図
【図７】従来の無線給電センシング装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
＜構成＞
まず、本発明の実施の形態に係る無線給電センシング装置１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る無線給電センシング装置１を示す図である。
【００１８】
無線給電センシング装置１は、送電器１０１と、受電器２０１と、センサ２０４とを有する。
【００１９】
送電器１０１は、アンテナ１０２と、発振部１０３とを有する。
【００２０】
発振部１０３は、例えば、水晶振動子、位相同期回路（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路）、増幅回路（ＡＭＰ）などの電気回路で構成され、商用電源から高周波電力を生成する。生成される周波数は、９００ＭＨｚ帯、２．４５ＧＨｚ帯、５．８ＧＨｚ帯などのマイクロ波帯であれば、特に限定されるものではなく、送電する距離や送電器１０１のサイズに応じて選択すればよい。
【００２１】
アンテナ１０２は、発振部１０３で生成された高周波電力を電波（電磁波）として空間へ放射する。アンテナ１０２としては、指向性アンテナまたは無指向性アンテナのいずれかを用いることができる。ある特定の方向へ長距離送電したい場合には、指向性アンテナを用いればよく、近距離で広い範囲に送電したい場合には、無指向性アンテナを用いればよい。
【００２２】
指向性アンテナとしては、例えば、誘電体基板をＧＮＤ板とアンテナ板とで挟んだ平面状のパッチアンテナが挙げられる。一方、無指向性アンテナとしては、例えば、電気を流す導線などを直線状に伸ばした線状のダイポールアンテナまたはモノポールアンテナが挙げられる。
【００２３】
受電器２０１は、アンテナ２０２と、受電制御回路２０３とを有する。
【００２４】
アンテナ２０２は、電波を受信し、その電波を高周波電力として後述の受電制御回路２０３へ供給する。アンテナ２０２としては、上述したアンテナ１０２と同様に、指向性アンテナまたは無指向性アンテナのいずれかを用いることができる。一定方向から電波を効率的に受信したい場合には、指向性アンテナを用いればよく、全方位から電波を受信したい場合には、無指向性アンテナを用いればよい。
【００２５】
指向性アンテナとしては、例えば上述したパッチアンテナが挙げられ、無指向性アンテナとしては、例えば上述したダイポールアンテナまたはモノポールアンテナが挙げられる。指向性アンテナまたは無指向性アンテナの形状は、送電器１０１との位置関係やアンテナ２０２の設置場所に応じて選択すればよい。
【００２６】
受電制御回路２０３は、例えば電気配線または近距離無線通信ネットワーク等を介して、複数のセンサ２０４（詳細は後述）と電気的に接続される。
【００２７】
受電制御回路２０３は、アンテナ２０２から伝送された高周波電力を直流電力へ変換し、その直流電力を、各センサ２０４へ供給する。また、この直流電力は、受電器２０１（例えば、受電制御回路２０３）自身の電源にも使用される。すなわち、受電器２０１（例えば、受電制御回路２０３）は、直流電力を用いて動作する。
【００２８】
また、受電制御回路２０３は、各センサ２０４から設備状態情報（詳細は後述）を受け取り、その設備状態情報を他の機器へ伝送する。この例については後述する。
【００２９】
なお、受電制御回路２０３の詳細な構成については、図４、図５を用いて後述する。
【００３０】
センサ２０４は、所定の設備に設置され、その設備に係る状態（以下、設備状態という）を検出し、その設備状態を示す情報（以下、設備状態情報という）を受電制御回路２０３へ出力する。センサ２０４の種類および数は、設備状態の種類に応じて選択される。
【００３１】
例えば、生産設備における警告状態を示す警告灯の点灯を検出する場合、または、生産設備の稼働状態を示すシグナルタワーの点灯を検出する場合、センサ２０４として光センサを用いればよい。光センサは、例えば、点灯箇所に設置される。
【００３２】
また、例えば、設備自体の動き（異常動作など）を検出する場合、センサ２０４として加速度センサを用いればよい。
【００３３】
また、例えば、設備の温度を検出する場合、センサ２０４として温度センサを用いればよく、設備の湿度を検出する場合、センサ２０４として湿度センサを用いればよい。
【００３４】
また、例えば、設備の近傍における作業者の動きを検出する場合、センサ２０４として人感センサを用いればよい。
【００３５】
＜動作＞
次に、上述した無線給電センシング装置１の動作について説明する。
【００３６】
まず、送電器１０１は、発振部１０３で生成された高周波電力を電波としてアンテナ１０２から空間へ放射する。放射された電波は、空間を伝搬し、広がりながら受電器２０１へ到達する。
【００３７】
受電器２０１に到達した電波は、アンテナ２０２で受電され、受電制御回路２０３により直流電力に変換される。次に、受電制御回路２０３は、直流電力を各センサ２０４へ供給する。これにより、各センサ２０４は、所定の設備状態を検出可能となる。
【００３８】
次に、各センサ２０４は、検出された設備状態を示す設備状態情報を、受電制御回路２０３へ出力する。そして、受電制御回路２０３は、各センサ２０４から受け取った設備状態情報を、他の装置へ伝送する（詳細は後述）。
【００３９】
＜設備状態情報の伝送例＞
設備状態情報の伝送例について、図２および図３を用いて説明する。図２は、第１の伝送例を説明する図であり、図３は、第２の伝送例を説明する図である。
【００４０】
まず、図２を用いて、第１の伝送例について説明する。第１の伝送例は、設備状態情報を送電器１０１へ無線送信する例である。
【００４１】
本例では、受電器２０１は、設備状態情報を無線送信するためのアンテナ３０１をさらに有する。受電制御回路２０３は、各センサ２０４から受け取った設備状態情報をアンテナ３０１から無線送信させる。これにより、設備状態情報は、アンテナ３０１から無線送信される。
【００４２】
なお、アンテナ３０１は、指向性アンテナまたは無指向性アンテナのいずれであってもよい。また、アンテナ３０１の形状は、送電器１０１との位置関係等に応じて選択すればよい。
【００４３】
また、本例では、送電器１０１は、受電器２０１から受信した設備状態情報を格納（記憶）する情報収集部３０２をさらに有する。情報収集部３０２は、例えば、メモリやハードディスク等の記憶装置である。
【００４４】
また、本例では、送電器１０１から受電器２０１への電力供給（以下、単に、電力供給という）で用いられる周波数帯と、受電器２０１から送電器１０１への情報送信（以下、単に、情報送信という）とで用いられる周波数帯とが同一であるとし、電力供給と情報送信とは、所定の時間間隔で交互に行われる。すなわち、送電器１０１のアンテナ１０２は、電波の送信機能と、設備状態情報の受信機能とを、所定の時間間隔で交互に切り替える。
【００４５】
アンテナ１０２で受信された設備状態情報は、情報収集部３０２に出力され、情報収集部３０２に格納される。
【００４６】
次に、図３を用いて、第２の伝送例について説明する。第２の伝送例は、設備状態情報を送電器１０１とは別の装置へ無線送信する例である。
【００４７】
本例では、上記第１の伝送例と同様に、受電器２０１は、設備状態情報を無線送信するためのアンテナ３０１をさらに有する。受電制御回路２０３は、各センサ２０４から受け取った設備状態情報をアンテナ３０１から無線送信するように制御する。これにより、設備状態情報は、アンテナ３０１から無線送信される。
【００４８】
また、本例では、無線給電センシング装置１は、受電器２０１からの設備状態情報を受信する情報収集機器４０１をさらに有する。
【００４９】
情報収集機器４０１は、受電器２０１から受信した設備状態情報を、記憶部（図示略）へ格納する機能や、表示部（図示略）に表示する機能を備える。情報収集機器４０１としては、例えば、パーソナルコンピュータ、サーバ装置、スマートホン、または、タブレット等が挙げられる。
【００５０】
なお、本例において、受電器２０１と情報収集機器４０１との無線通信では、情報収集機器４０１の通信規格を用いるとする。
【００５１】
＜受電器２０１の構成＞
次に、本実施の形態に係る受電器２０１の構成について、図４を用いて説明する。図４は、受電器２０１の構成の一例を示す図である。図４において、実線の矢印は電力の流れを示し、破線の矢印は情報の流れを示している。
【００５２】
図４に示すように、受電器２０１は、アンテナ２０２、アンテナ３０１、および受電制御回路２０３を有する。また、受電制御回路２０３は、整流部５０１、電源制御部５０２、情報処理部５０３、および通信部５０４を有する。
【００５３】
整流部５０１は、アンテナ２０２で電波として受信された高周波電力を直流電力へ変換する。
【００５４】
電源制御部５０２は、整流部５０１から受け取った直流電力に対して所定の処理を行い、その直流電力を、情報処理部５０３、通信部５０４、および各センサ２０４へ供給する。この際、電源制御部５０２は、一時的に電力を溜めるキャパシタ５０５を用い、蓄電と放電により適切な電力管理を行う。
【００５５】
情報処理部５０３は、各センサ２０４を制御し、各センサ２０４から設備状態情報を収集する。
【００５６】
通信部５０４は、情報処理部５０３で収集された設備状態情報を高周波信号として、アンテナ３０１から受電器２０１外へ送信する。
【００５７】
このように、受電器２０１は、外部の電源を用いることなく、無線による電力供給により動作が可能となり、設備状態情報の収集および送信を行うことができる。
【００５８】
なお、図４では、受電器２０１が４つのセンサ２０４と接続される場合を図示したが、センサ２０４の数は、これに限定されない。センサ２０４の数は、受電器２０１からの電力供給が可能な限り増やすことができる。また、センサ２０４の種類としては、上述したとおり、光センサ、温度センサ、湿度センサ、加速度センサ、人感センサなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５９】
また、図４では、受電器２０１が、電波の受信（電力の受電）用のアンテナ２０２と、設備状態情報の送信用のアンテナ３０１とを有する場合を図示したが、受電器２０１は、共通（同一）のアンテナで電波の受信と設備状態情報の送信を行ってもよい。この具体例について、図５を用いて説明する。
【００６０】
図５に示す受電器２０１は、アンテナ２０２の受信機能と送信機能とを切り替える切替部５０６を有し、この切替部５０６とアンテナ２０２とを用いて、電波の受信および設備状態情報の送信を行う。例えば、切替部５０６は、アンテナ２０２と整流部５０１との接続（受信機能）と、アンテナ２０２と通信部５０４との接続（送信機能）とを切り替える。
【００６１】
なお、図５の例では、切替部５０６が受電制御回路２０３に含まれる場合を図示したが、切替部５０６は、受電制御回路２０３の外部に設けられてもよい。
【００６２】
＜生産設備における適用例＞
次に、上述した本実施の形態の無線給電センシング装置１を生産設備に適用する場合について、図６を用いて説明する。図６は、無線給電センシング装置１を生産設備に適用する場合を説明する図である。
【００６３】
図６の例では、送電器１０１は、図２に示した構成であり、受電器２０１は、図５に示した構成である。
【００６４】
図６に示すように、設備７０１には、それぞれ、受電器２０１と、その受電器２０１と電気配線（図中の破線）を介して接続されたセンサ２０４とが設置されている。
【００６５】
送電器１０１から無線送信された電力は、各受電器２０１で受電される。各受電器２０１は、その電力を使って、自らが動作し、かつ、各センサ２０４を動作させる。そして、各受電器２０１は、設備７０１に係る設備状態情報を、各センサ２０４から収集し、送電器１０１へ無線送信する。
【００６６】
このように、各センサ２０４は、受電器２０１から配線が届く範囲であれば、特に制約なく、設備７０１に配置することが可能となる。よって、工場などの広い範囲にセンサ２０４を配置することができる。
【００６７】
また、受電器２０１および各センサ２０４は、設備７０１と電気的な接続を必要としないため、設備７０１に特別な改造（例えば、配線工事や電池交換等）を施すことなく、設備７０１に設置することができる。
【００６８】
また、受電器２０１は、各センサ２０４と別体であるため、設置場所の選択肢が広がる。よって、受電器２０１を、送電器１０１から見通しの良い場所（例えば、図６に示した設備７０１の上面）に設置することができ、送電できる電力の増加や、送電範囲の拡大が見込める。これにより、１つの送電器１０１で広い範囲に設置された複数の受電器２０１への電力供給が実現できる。なお、「見通しの良い」とは、送電器１０１とアンテナ２０２との直線距離間に構造物がなく、送電器１０１からの電波が直接アンテナ２０２へ伝達することを意味する。
【００６９】
＜作用効果＞
本実施の形態の無線給電センシング装置１では、受電器２０１（アンテナ２０２）を、送電器１０１から見通しの良い場所（例えば、設備の上面）に設置しやすい。よって、受電器２０１は、遠く離れた送電器１０１からの微弱な電波を受信した場合でも、受電器２０１および各センサ２０４の動作に十分な電力を回収できる。そのため、１つの送電器１０１で、より広い範囲の受電器２０１へ電力を供給することが可能である。
【００７０】
また、本実施の形態の無線給電センシング装置１では、各センサ２０４は、受電器２０１（受電制御機器２０３）と電気的接続が可能な範囲であれば、特に制約なく、設置することが可能となる。よって、センサ２０４の設置場所の制約を低減できる。
【００７１】
また、本実施の形態の無線給電センシング装置１では、受電器２０１（アンテナ２０２）を、スペースを確保できる場所（例えば、設備の上面）に設置しやすい。よって、アンテナ２０２のサイズを大きくすることができ、受電器２０１が受電する電力量を増やすことができる。
【００７２】
なお、本発明は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、生産設備からの情報収集だけでなく、家庭や各種施設からの情報収集にも利用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０１  送電器
１０２  アンテナ
１０３  発振部
１０４  受電機能付きセンサ
１０５  アンテナ
１０６  センサ
２０１  受電器
２０２、３０１  アンテナ
２０３  受電制御回路
２０４  センサ
３０２  情報収集部
４０１  情報収集機器
５０１  整流部
５０２  電源制御部
５０３  情報処理部
５０４  通信部
５０５  キャパシタ
５０６  切替部
７０１  設備
【図１】
2019161746.tif 000003
【図２】
2019161746.tif 000004
【図３】
2019161746.tif 000005
【図４】
2019161746.tif 000006
【図５】
2019161746.tif 000007
【図６】
2019161746.tif 000008
【図７】
2019161746.tif 000009