(57)【要約】【課題】人に対して悪影響を与えることなく、無線で電力を供給できる給電装置を提供する。【解決手段】駆動信号を発生する信号発生部と、前記駆動信号の位相を調整する位相制御部と、前記位相制御部によって調整された前記駆動信号に基づき、媒体中に超音波振動を生じさせる複数の超音波振動発生部からなる超音波送電装置。【選択図】図１
2009072652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号を発生する信号発生部と、
前記駆動信号の位相を調整する位相制御部と、
前記位相制御部によって調整された前記駆動信号に基づき、媒体中に超音波振動を生じさせる複数の超音波振動発生部からなる超音波送電装置。
【請求項２】
前記複数の超音波振動発生部の少なくとも一組から発振される超音波振動の周波数は、前記複数の超音波振動発生部の他の少なくとも一組から発振される超音波振動の周波数と異なる、請求項１に記載の超音波送電装置。
【請求項３】
前記信号発生部が異なる駆動信号を発生させることにより、超音波振動の周波数を異ならせる、請求項２に記載の超音波送電装置。
【請求項４】
前記超音波振動発生部の共振周波数を異ならせることにより、超音波振動の周波数を異ならせる、請求項２に記載の超音波送電装置。
【請求項５】
受信装置の位置を検知する受信装置検知部をさらに有し、
前記位相制御部は、前記受信装置検知部で検知した受信装置の位置に対応して前記駆動信号の位相を調整する、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波送電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて無線で電力を送電する超音波送電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器やセンサーなどのデバイスに対し、無線で電力を供給することができれば、内蔵電源の残量に制限されることなく、長時間の駆動が可能となる。たとえば、コンセントに繋いで充電する必要のないモバイル機器や一度設置すれば電池交換の必要のなく環境や構造の状態を永続的にモニターできる分散センサーネットワークなど、内蔵電源の残量にかかわる制限がなくなり、利便性が大幅に向上する。
【０００３】
このように無線で電力を供給するためには、電気エネルギーを別の形態に変換し、空間を伝播させる必要がある。空気中を伝播するエネルギーの１つとして、音などの空気の振動エネルギーがある。
【０００４】
特許文献１では、体内のデバイスに超音波を用いて電力を供給する方法が開示されている。スピーカーのような振動発生装置により電気エネルギーを空気の圧力振動に変換して伝播させ、圧電素子などを用いた受信部で、空気の圧力振動を電気エネルギーに再変換することができる。使用する圧力振動の周波数として、２０ｋHz以上の可聴域以上の周波数、すなわち超音波領域の圧力振動（以下では超音波振動と呼ぶ）を用いれば、人に意識させること無く、電力を送電することが可能となる。
【特許文献１】特開平２−１１６３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしならが、空気中を伝播する超音波は減衰しやすく、受信装置側で、十分な電力を確保するためには、圧力振動のエネルギーを大きくする必要がある。すなわち、大振幅（大音量）の振動発生源が必要となるが、大振幅（大音量）の音は、人に対して悪影響を与えるので、不用意に発することができないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、上記課題を解決するために、本発明の超音波送電装置は、駆動信号を発生する信号発生部と、前記駆動信号の位相を調整する位相制御部と、前記位相制御部によって調整された前記駆動信号に基づき、媒体中に超音波振動を生じさせる複数の超音波振動発生部からなる超音波送電装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本願の発明の効果は、超音波振動の位相を制御し、重ね合わせることで、超音波振動の焦点を空間の任意の位置に局所的に作り出し、圧力振動により電力を供給することである。これにより、人体に与える影響を最小限に留めつつ、無線で電力を送電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態の構成を示す。１０１は駆動信号を発生する信号発生部、１０２は駆動信号の位相を調整する位相制御部、１０３は超音波振動を発生する超音波振動発生部である。１０４は複数の超音波振動発生部から発振された超音波の波面を模式的に示したものであり、その波面が集中する位置が焦点１０５となり、各超音波振動発生部から送り出された超音波が重なり合い、振幅が増大する。
【０００９】
超音波振動の焦点１０５は、超音波振動発生部１０３に入力する駆動信号の位相を制御することにより、超音波振動の焦点位置を制御することができる。
【００１０】
すなわち、超音波振動の焦点１０５とｉ番目の超音波振動発生部１０３の距離をLi、超音波振動の焦点１０５から一番遠い超音波振動発生部までの距離がＬｍａｘ、超音波の速度（音速）がＶの時、ｉ番目の超音波振動発生部に以下のＤｉの遅延が必要である。
【００１１】
【数１】
2009072652.tif 000003
【００１２】
したがって、ｉ番目の超音波振動発生部から発振する超音波振動の周波数をｆとすると、その発生部から、位相をＤｉ・ｆ遅らせればよい。
【００１３】
信号回路に直列に接続された抵抗値がＲの抵抗、インダクタンスがＬのコイル、静電容量がＣのコンデンサーにより、周波数ｆの信号には、θの遅れが生じる。
【００１４】
【数２】
2009072652.tif 000004
【００１５】
このように、駆動信号の周波数が一定であることから、容量やインダクタンスを変えることにより、容易に遅れを与えることができる。
【００１６】
これにより、焦点１０５における超音波振動の圧力振幅を局所的に高めることができる。また、焦点以外の場所においては、超音波振動の位相がすべては一致しないので、部分的に周囲よりは圧力振幅が大きくはなるが、焦点に比べ十分小さな圧力振幅となる。
【００１７】
本実施の形態により、局所的に超音波振動の振幅が大きい領域、即ち焦点を形成することができる。超音波振動による無線給電を行う場合は、駆動振動発生源の信号が一定周波数であることから、信号回路に接続した容量やインダクタンスを変えるだけで、容易に位相の遅れを与え、焦点位置を変えることができる。
【００１８】
従って、超音波振動を電気エネルギーに再変換する受信装置の位置に超音波振動の焦点を形成することで、その周辺のみ超音波振動の振幅が大きく、エネルギーの高い領域を作り出すことができる。このとき、受信装置以外の場所における超音波振動の振幅は小さいので、人体への影響を最小限にとどめることができる。
【００１９】
また、超音波振動の受信装置の位置を検出する手段により、受信装置の位置を検出し、その受信装置の位置と超音波振動の焦点１０５が一致するように制御を行えば、人に対する影響をさらに小さくすることができる。
【００２０】
なお、図１では、説明を簡単にするために、超音波振動発生部を１つの直線状に配置して説明したが、これに限る必要はなく、超音波振動の焦点に向かって超音波振動を発することができれば、任意に配置することができる。
【００２１】
（実施例１）
図２に本実施例の構成図を示す。４００は、超音波送電装置全体を制御する統合制御部であり、温度センサー４０１、撮像装置４０２の情報を元に、信号発生装置１０１、位相制御部１０２を制御する。図中には記載されていないが、位相制御部は、それぞれの超音波振動発生部に接続され、個別に位相を制御できるようになっている。
【００２２】
４０４は共振周波数４０．０ｋＨｚの超音波振動子を交互に縦横８個づつ、２０ｃｍ間隔で計６４個の配置した超音波振動発生部である（但し、図２では超音波振動発生部の一部を図示）。空気中へ効率的に超音波を放射するために、超音波振動子には、円錐角４５度のコーンを取り付ける。この超音波振動発生部を部屋の天井に設置し、各超音波振動発生部の信号回路に可変容量を挿入することで位相を調整し、受信装置４０３の位置に超音波振動の焦点を形成させる。
【００２３】
図３に受信装置の構成の概略図を示す。超音波振動を電気エネルギーに変換する為に、本実施例では圧電材料を用いる。圧電材６０１の中央に中間電極６０２をはさみ、両面に対抗電極６０３を設けた振動部により振動を電気エネルギーに変換する。振動部の共振周波数は、送電装置から発振する超音波振動の中心周波数にあわせ、４０ｋHzとなるようにする。この振動部がたわみ振動することで、圧電体がひずみ、電気エネルギーに変換される。圧電体の分極方向を中間電極の上下で同じ向きになるようにすることで、発生する電位が２倍になる。その後、全波整流回路６０４によって整流し、蓄電用コンデンサー６０５に蓄える構成とする。この蓄電用コンデンサーから電気を取り出すことで、デバイスを駆動する。
【００２４】
このような構成の超音波送電装置と受信装置を用いることで、人には、聞くことのできない超音波振動の焦点を形成することができ、４０ｋHzの超音波振動を電気エネルギーに変換し、コンデンサーに蓄積することができる。
【００２５】
また、撮像装置の画像から、受信装置の位置を求め、各超音波振動発生部と受信装置との距離から、前述のように遅延Ｄｉをそれぞれ求める。その際、空気中の超音波の伝達速度は、温度に依存するため、温度センサーにより、温度を測定する。温度Ｔ（℃）より、以下の式を用いて、音速Ｖ（ｍ／ｓ）を求める。
【００２６】
【数３】
2009072652.tif 000005
【００２７】
これにより、受信機の位置を正確に把握し、その位置に対して、超音波振動を集中させることができるので、人体の影響をさらに低減させることができ、無線給電により送電できる電力量を増加させることができる。
【００２８】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１の違いは、周波数の異なる超音波振動を用いたことである。
【００２９】
実施の形態１では、製造バラツキや空気の流れにより、焦点位置で周波数がわずかに異なることもあり得る。このような周波数の異なる波を重ねると、うなりとよばれる低い周波数（重ね合わせた超音波振動の周波数の差）で振幅が大きく変化する現象が発生してしまう。
【００３０】
うなりにより超音波振動の振幅が増減すると、受信装置に入力される超音波振動の振幅が増減してしまう。したがって、継続した加振が途切れるため、受信装置の振動子が十分に振幅の大きい共振状態を維持することができない場合が発生し得る。
【００３１】
図４に、このような場合の焦点における超音波振動と受信装置の振動子の動きの関係を示す。図４（ａ）は、焦点における超音波振動の圧力の時間変化の一例を示すものであり、横軸は時間、縦軸は圧力である。３００は周波数が０．５Ｈｚ異なる超音波振動を重ねた場合に生じる超音波の圧力振動、３０１は、このときのうなりの圧力の増減を示すものである。図のように超音波振動の圧力振幅が大きくなる期間（図４（ａ）中の３０２）と圧力振幅が小さくなる期間（図４（ａ）中の３０３）とが１ｓｅｃごとに交互に生じている。
【００３２】
図４（ｂ）は、焦点に設置した受信装置の各時刻における振動子の振幅を示すものである。３０５の実線は振動子の各時刻における振幅、３０４の破線は、超音波振動の圧力振幅３０１の最大値が振動子の振幅の最大値に一致するようにスケーリングしてプロットしたものである。重ね合わせる周波数の差が小さく、うなりの周期が長い場合、振動子に加えられる超音波振動の振幅変化が緩やかになる。その為、超音波振動の変化に追従し、振動子の振幅が減衰するので、振動子の振幅変化と、うなりの振幅変化がほぼ一致する。すなわち、振動子の共振による振幅が小さくなる期間３０６が生じてしまう。
【００３３】
受信装置が移動する場合には、受信装置と焦点の位置が一致し、さらに、この時に、うなりによって、超音波振動の振幅が大きくなっている（図４中の３０２の期間）必要がある。
【００３４】
しかし、うなりの周期が長いと、送電できる機会をのがす可能性が高くなる。例えば、図４の場合、振幅が大きくなる期間は、２ｓｅｃに１回訪れるので、無線で電力を送電するためには、受信装置と焦点の位置が最低限２ｓｅｃ以上一致するように焦点位置を制御しなくてはならない。
【００３５】
このように、周波数がわずかに異なる波を重ね合わせると、周波数の差と同じ周期で、振幅が増減するうなりが生じる。このうなりの周期が長いと、超音波受信装置が移動する場合に、うなりにより振幅が減少した期間と受信装置が焦点にあり受信できる期間が一致すると、超音波振動を受けることができなくなってしまう。この受信できない期間の発生を防止するために、本実施の形態では、周波数の異なる超音波振動を重ね合わせ、うなりの周期を短くする。
【００３６】
図５（ａ）は、うなりの周期が短くなるように、超音波振動発生部から異なる周波数の超音波振動を発振した場合の、焦点における超音波振動の圧力変化を示した例であり、横軸は時間、縦軸は圧力である。５００は周波数が２ｋＨｚ異なる超音波振動を重ねた場合に生じる超音波の圧力振動、５０１は、このときのうなりの圧力の増減を示すものである。圧力振幅が５００μｓｅｃごとに増減を繰り返している。
【００３７】
図５（ｂ）は、それぞれの時刻における受信装置の振動子の振幅を示したものである。５０５の実線は振動子の各時刻における振幅、５０４の破線は、超音波振動の圧力振幅５０１の最大値が振動子の振幅の最大値に一致するようにスケーリングしてプロットしたものである。このようにうなりの周波数を短くすると、振動子の振動が減衰するまえに、次のうなりの山が来ることになる。その為、振動子の振幅は、完全に超音波振動の圧力振幅の変化５０４と一致はせず、図４の３０６で示すような振動子の振動が小さくなる期間が発生するのを防止することができる。
【００３８】
すなわち、安定して超音波振動から電気エネルギーを取出すことが可能となる。
【００３９】
周期の異なる超音波振動を重ねる場合においては、重ね合わせたときの中心周波数と超音波振動の受信装置の共振周波数が等しくなるようにする。また、超音波振動の周波数は、受信装置の振動子の減衰よりも、うなりの周波数が短くなる程度まで、異ならせる必要がある。例えば、２種類の周波数ｆ１とｆ２の超音波振動を重ね合わせる場合、重ね合わせた中心周波数は、（ｆ１＋ｆ２）／２となり、うなりの周波数は、｜ｆ１−ｆ２｜となり、個別に設定することができる。
【００４０】
周波数を異ならせる範囲は、中心周波数の1〜２５％に設定するのが好ましい。周波数を異ならせる範囲が１％より小さい場合は、うなりの周期が長くなりすぎるため、振幅が小さくなっている期間に、受信装置の振動子が減衰してしまう。また、周波数を異ならせる範囲が２５％より大きい場合、周波数の違いが大きすぎるため、中心周波数の振動成分が十分に得られないため、受信装置の振動子を加振することができなくなってしまう。
【００４１】
また、焦点の位置の制御する場合は、周波数が同じ、超音波振動発生部毎に、焦点に集中するような遅れを求め、位相の制御を行えばよい。
【００４２】
本実施の形態により、超音波振動の焦点で発生するうなりの周期を短くすることができ、受信装置の振動子の振動が減衰するよりも早く次の超音波振動のうなりの山が来るので、振動子に入力される超音波振動の振幅が大きくなる。したがって、振動子の振幅が小さくなる期間（図４の３０６）の発生を防止することができ、振動子の振幅が大きい状態を維持することができる。
【００４３】
また、受信装置が移動する場合においても、うなりの周期を短くすることで、超音波振動の振幅が大きくなる期間（図４中の３０２の期間）と振幅が小さくなる期間（図４中の３０３の期間）が早く入れ替わるようになるので、無線で電力を送電するために、最低限必要な受信装置と焦点を一致させなければならない時間が短くなる。
【００４４】
なお、異なる周波数の超音波振動を発生する方法としては、２種類の方法がある。第１の方法は、共振周波数の異なる超音波振動発生装置を用い、共振モードで動作させる方法である。この方法は、発生周波数を変えることはできないが、効率的に超音波振動を発生することができる。第２の方法は、超音波振動発生装置を共振モードで動作させず、駆動信号の周波数により制御する方法である。
【００４５】
以下に、具体的に実施した例を示す。
【００４６】
（実施例２）
図６に本実施例の構成図を示す。４００は、超音波送電装置全体を制御する統合制御部であり、温度センサー４０１、撮像装置４０２の情報を元に、周波数３７．５ｋＨｚの信号発生装置８０１ａと、周波数４２．５ｋＨｚの信号発生装置８０１ｂおよびそれぞれの信号発生装置に接続された位相制御部８０２ａ、８０２ｂを制御する。
【００４７】
８００は共振周波数３７．５ｋＨｚの８００ａと共振周波数４２．５ｋＨｚの２種類の超音波振動子を交互に縦横８個づつ、２０ｃｍ間隔で計６４個の配置した超音波振動発生部である（図中の斜線で示した発生部が８００ｂであり、白抜きの発生部が８００ａである。但し、図では超音波振動発生部の一部を図示）。それぞれの超音波振動発生部は、共振周波数に対応した信号発生部、位相制御部に接続されている。図中には、記載されていないが、位相制御部は、それぞれの超音波振動発生部に接続され、個別に位相を制御できるようになっている。また、空気中へ効率的に超音波を放射するために、超音波振動子には、円錐角４５度のコーンを取り付けた。この超音波振動発生部を部屋の天井に設置し、受信装置４０３の位置に超音波振動の焦点を形成させた。
【００４８】
３７．５ｋＨｚの超音波振動と４２．５ｋＨｚの超音波振動子が焦点で重なりあうと、周波数４０ｋＨｚの超音波振動の周期が、５ｋＨｚで変化することになる。したがって、０．２ｍｓｅｃごとに超音波振動の振幅が増減するので、受信装置が焦点に０．２ｍｅｓｃ存在すれば、電力を受信できる機会を得ることができる。
【００４９】
なお、本実施例では、異なる周波数の超音波振動を発生する為に、２つの共振周波数の異なる超音波振動子を用いたが、これに限る必要はない。共振周波数は２つに限る必要はなく、中心周波数と受信装置の共振周波数が一致するように設定すればよい。
【００５０】
（実施例３）
本実施例と実施例２の違いは、異なる周波数の超音波振動の発生方法である。本実施例では、共振周波数が１００ｋHzの超音波振動発生装置を配置し、この共振周波数より低い、駆動周波数で動作させることによって、異なる周波数の超音波振動を発生させる。本実施例の構造は、図６の共振周波数３７．５ｋＨｚの８００ａと共振周波数４２．５ｋＨｚの２種類の超音波振動子を、すべて共振周波数１００ｋHzの超音波振動発生装置に置き換えたことと、駆動信号発生装置８０１ａ、８０１ｂの出力周波数を可変にしたものである。それ以外の構成は、実施例２と同様である。
【００５１】
このような構成にすることで、駆動信号の周波数によって、異なる周波数の超音波振動を発生させることができる。
【００５２】
また、本実施例の構成の特徴は、超音波振動の発生周波数を変えることができることである。超音波振動の発生周波数を制御し、超音波振動の振幅が増減する周期を変える。例えば、周波数を３９．５ｋＨｚと４０．５ｋＨｚの超音波振動を用いた場合、周波数４０ｋＨｚの超音波振動の周期が、１ｋＨｚで変化することになる。したがって、１ｍｓｅｃごとに超音波振動の振幅が増減した。駆動信号の周波数の差が、１００Ｈｚから１０ｋＨｚになるように設定することで、超音波振動の振幅が増減する周期を０．０１ｓｅｃから０．１ｍｓｅｃの間で制御することができる。
【００５３】
なお、本実施例では、中心周波数を４０ｋＨｚに設定したが、これに限る必要はなく、超音波振動の受信装置の共振周波数にあわせて、設定すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
超音波送電装置を駅や飲食施設などの公共の場所に多数配置することで、携帯電話や音楽再生機などのモバイル機器に対して電力を供給する電力供給装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１の構成図
【図２】本発明の実施例１の構成図
【図３】本発明の実施例１の受信装置の構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態１において、うなりが発生した場合の超音波振動の焦点における圧力変化と受信装置の振動子の動きを示す図
【図５】本発明の実施の形態２における超音波振動の焦点における圧力変化と受信装置の振動子の動きを示す図
【図６】本発明の実施例２の構成図
【符号の説明】
【００５６】
１０１    信号発生部
１０２    位相制御部
１０３    超音波振動発生部
１０７    超音波振動の所定の間隔
１０８    撮像装置
【図１】
2009072652.tif 000006
【図２】
2009072652.tif 000007
【図３】
2009072652.tif 000008
【図４】
2009072652.tif 000009
【図５】
2009072652.tif 000010
【図６】
2009072652.tif 000011