JP7039000B2 - 受電装置およびそれを用いる無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、高周波を受電する受電装置およびそれを用いる無線電力伝送システムに関するものである。特に、金属体や絶縁体などの障害物を有する金属で囲われた配管やエンジンルーム、工場内部などに設置されたセンサ等へ無線で電力を供給、情報を送受信するための構造および電子機器に関する。

従来の離れた場所への無線電力システム（以下、無線給電設備ともいう。）は、レクテナの原理に基づいて、電磁波を受電するアンテナと、前記アンテナと接続された整流回路からなる。前記アンテナを複数個近接して配置することで実効的な受電面積を拡張させるアレー構造を設けることで無線給電設備が構成される。

例えば、特許文献１には、マイクロ波を受信する受信手段と、受信したマイクロ波を整流する第１および第２整流回路と、前記受信手段と前記第１および第２整流回路との間に介装されたハイブリッド回路を備えたレクテナが開示されている。

特開２０１２－２３８５７号公報

このような従来の無線給電設備では、見通しの良い場所での無線電力伝送が前提であるため、金属体や絶縁体などの障害物を有する見通しの悪い場所では、電力伝送効率の著しい劣化が課題となっていた。

すなわち、従来の無線給電設備では、アンテナを使用するためアンテナの利得を決定する実効面積に応じて受電側での電磁界強度が決まってしまう。アンテナ間に金属体や絶縁体を有する金属で囲われた配管やエンジンルーム、工場内部などではアンテナの実効面積は小さくなるため、受電側での電磁界強度が著しく低下する。その結果として受電側に設けたセンサ等の端末を十分駆動させる電力を確保することが困難であるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。

本発明に係る第一の受電装置は、無線給電設備において使用される受電装置であって、高周波を受電する受電器と、高周波を直流電流に変換する整流回路と、前記受電器と前記整流回路の間に接続された受電切替回路と、前記整流回路から出力される直流電流を蓄えるキャパシタと、前記キャパシタの充電電圧を検出する電圧検出手段を有する受電制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係る第二の受電装置は、前記第一の受電装置であって、前記受電器は、第１の誘電体基板の表面において導体により少なくとも一か所の折曲部を有する形状とする第１の導体パターンと、前記第１の誘電体基板に１層以上積層される他の誘電体基板の表面において導体により前記第１の導体パターンと同じ形状の第２の導体パターンとを備えることを特徴とする。

本発明に係る第三の受電装置は、前記第二の受電装置であって、前記第１および第２の導体パターンは、適宜間隔を有して線対称に形成されたそれぞれ二つの導体パターンによって構成され、且つ前記受電切替回路は、該二つの導体パターンに並列に接続されることを特徴とする。

本発明に係る第一の無線電力伝送システムは、前記第一～三のいずれかの受電装置を少なくとも一つ備える無線電力伝送システムであって、金属によって全体が包囲された構造体と、該構造体の内部に設置された少なくとも一つの送電器とを備え、前記送電器は、前記構造体と電気的に等価な導波路共振器が有する共振周波数による電磁波を送信することを特徴とする。

本発明に係る第二の無線電力伝送システムは、前記第一の無線電力伝送システムであって、前記構造体は、リアクタンス素子と電気的に接続された電磁波反射材を少なくとも一つ備えることを特徴とする。

本発明に係る第三の無線電力伝送システムは、前記第一または第二の無線電力伝送システムであって、前記構造体は、該構造体の少なくとも一部が前記電磁波反射材とは異なる種類の電磁波反射部材が使用されることを特徴とする。

本発明に係る第四の無線電力伝送システムは、前記第一～三のいずれかの無線電力伝送システムであって、前記構造体は、電磁波反射部材によって包囲されており、該電磁波反射部材は、一部の領域または全体に貫通孔を有するものであることを特徴とする。

本発明に係る第五の無線電力伝送システムは、前記第一～四の無線電力伝送システムであって、前記貫通孔は、前記電磁波反射部材の一部またはその全部が、比透磁率を有する材料によって網目状に形成して設けられるものであることを特徴とする。

本発明に係る第六の無線電力伝送システムは、前記第一～五のいずれかの無線電力伝送システムであって、前記共振周波数は、前記導波路共振器が有する基底共振周波数に設定されていることを特徴とする。

本発明に係る第七の無線電力伝送システムは、前記第一～六のいずれかの無線電力伝送システムであって、前記構造体の内部に金属体および／または絶縁体からなる遮蔽物が設置された無線伝送システムであって、前記共振周波数は、前記遮蔽物を電気的に等価なリアクタンス素子とみなして算出される基底共振周波数に設定されていることを特徴とする。

このような構成により、受電レベルが低くても受電装置で必要な電力を充電することができるため、見通し内外に関わらずどの場所でも必要な受電電力を確保することができる。その結果として、送電用無線給電設備と受電用無線給電設備の見通しが悪くとも受電用無線給電設備に必要な電力の供給が実現できる。

本発明に係る無線電力伝送システム（無線電力設備１）の構成図である。 本発明に係る受電装置３の構成図である。 本発明に係る無線電力伝送システムにおいて、共振器構造内部に障害物１０を有する場合の概念図である。 本発明に係る受電装置３における受電器５の模式図である。 本発明に係る受電装置３における受電器５の銅箔パターンにより形成される励振素子１３ａおよび１３ｂを示す模式図である。 本発明に係る受電装置３における銅箔パターンにより形成される装荷素子１４ａおよび１４ｂを示す模式図である。 本発明の実施例１に係る受電装置３の構成図である。 本発明の実施例１に係る受電装置３における高周波スイッチ１６ａの接続図である。 本発明の実施例１に係る受電装置３における制御信号生成回路１６ｂの回路図である。 本発明の実施例２に係る受電装置３における受電器１５の構成図である。高周波基板２２の表面に銅箔で励振素子２３ａおよび励振素子２３ｂを形成し、励振素子２３ａおよび２３ｂにＳＭＡコネクタ２５が接続される。 本発明の実施例２に係る受電装置３における制御信号生成回路の回路図である。高周波基板２２の裏面には励振素子２３ａおよび２３ｂと同形状の装荷素子２６ａおよび２６ｂが実装される。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。本発明に係る無線電力システム（以下、無線給電設備ともいう。）について，図１を用いて説明する。図１は本発明に係る無線給電システムの構成図である。図１において、無線給電設備１は内部にすくなくとも１つ以上の送電器２と、少なくとも１つ以上の受電装置３を備え、無線給電設備１は電磁波を反射する材料である電磁波反射板４で全面が囲われている。すなわち、無線給電設備１は無線給電を実現する構造物の全体を指している。

前記受電装置３の構成について図２を用いて説明する。受電装置３は、高周波電力を受電するための受電器５（以下、受電素子または受電要素と表記することがある。）、受電状態を制御する受電制御回路６、高周波電力を直流電力に変換する整流回路７、整流後の直流電力を蓄電する蓄電キャパシタ８、および負荷９により構成される。

前記受電器５は例えば、線状の金属で構成されるダイポール形状やループ形状、誘電体基板に金属箔パターンで形成されたダイポール形状やループ形状等による差動型受電器、あるいは金属板と金属棒等で構成されるモノポール形状等による不平衡型受電器等で構成される。

前記受電制御回路６は、受電器５による高周波電力の受電状態を切り替える受電切替部６ａと蓄電キャパシタ８の充電状態を監視し、受電切替部６ａに制御信号を出力する状態制御部６ｂで構成される。受電切替部６ａは例えば、高周波スイッチやＦＥＴ等の半導体素子で構成される。また、状態制御部６ｂは例えば電圧検出器と論理回路等で構成される。

前記蓄電キャパシタ８は例えば、電解コンデンサや電気二重層コンデンサ、リチウムイオン電池等のキャパシタや二次電池による蓄電素子である。

前記負荷９は例えば、温度センサや湿度センサ、近接センサ等のセンサを搭載した無線センサノードと、それらに付随する電源回路等で構成される。

前記無線給電設備１において、電磁波反射板４で囲われた空間内の電磁界分布は共振モードに依存して一様にはならないため、受電器５が複数用いられる場合には各受電器の設置位置によって受電可能なエネルギー量には差が生じる。本発明に係る無線電力伝送システムは、空洞共振器の原理を応用して電力を伝送するため、送電器と受電器は空洞共振器における励振プローブに対応する。従って前記送受電器間のインピーダンス整合を行えば、送受電器間で高い電力伝送効率を達成できる。前記送電器と受電器が１対１や１対２等、数十より少ない数の励振プローブのみが空間内に存在する場合にはインピーダンス整合は可能であるが、該受電器数が数十、数百の規模になった場合にはインピーダンス整合用の整合回路の設計が極めて困難になる。また前記受電器を配置する位置に合わせて整合回路を設計する必要があるため、無線電力伝送における運用面で問題がある。

前記送電器および受電器は、レクテナのように直接エネルギーを伝送するのではなく、共振器構造内部に励振される共振モードを介してエネルギーを伝送する。従って前記送受電器間でのインピーダンス整合をせずに、該送電器から共振器構造にエネルギーを注入すると、内部に励振される共振モードによる電磁界分布の強度差によってエネルギーの分布は一様にならない。従って、前記受電器の位置により受電可能なエネルギー量に差が生じる。

前記共振器構造内部に障害物１０が存在する、図３に示すような場合について考えると、電磁界分布のばらつきはより顕著に現れるとともに、前記送電器に対し整合の取れやすい受電器と整合の取れにくい受電器が発生する。すなわち、前記送電器および受電器の間に基底モードの電磁界分布を妨げるような障害物がない場合には、整合が取れやすい状況となり、逆に障害物が存在する場合には整合が取れにくい状況となる。これにより、整合回路を用いず、前記送電器と各受電器を同一のインピーダンスで終端した場合には、整合が取れやすい位置にある受電器と送電器が整合され、そうでない位置の受電器は不整合状態となり、電力伝送に有利な受電器と不利な受電器に分かれる。

上述の状況を防ぐため、本発明の実施形態では、受電器側に受電制御回路を導入する。前記受電装置３は受電器５に蓄電キャパシタ８を装荷し、センサモジュール等の負荷９を駆動するのに必要なエネルギーを電力伝送で受電するとともに、余剰分を蓄電キャパシタ８に蓄電する。蓄電キャパシタ８の充電量が一定以上に達した場合には受電制御回路６により受電動作を停止する。すると、受電器５は電力伝送システム上から切り離される。従来の無線電力伝送システムでは、受電に有利な位置にある受電器のみが電力を受電し、受電量が不十分な受電器はエネルギーを受け取れないままの状態となる。そして、受電に有利な位置にある受電器は余剰電力も受電し続けるために、システム全体としてのエネルギー効率も低下する。しかしながら、本発明の実施形態では、各受電器５は自己の必要な分のエネルギーのみを受電し、必要以上のエネルギーは受電しないように制限することが可能になる。すると、これまで受電に有利な位置にある受電器が受け取っていたエネルギーが他の位置にある受電に不利な位置にある受電器に分けられるようになり、受電器全体の伝送効率を向上させる。

つまり、本発明に係る無線電力伝送システムは、レクテナ方式と異なり、空洞共振器の原理を利用してエネルギーを伝送するため、共振器構造の損失が小さい場合には送電器が共振器構造に励振したエネルギーは内部に蓄えられることになる。従って複数の受電器がある場合には、ある受電器が受電しなかったエネルギーは他の受電器で受電することが可能になる。よって、本発明に係る無線電力伝送システムでは、これまで無駄に受電していたエネルギーを他の受電器に分け与える事により、全受電器の平均受電電力が改善される。

また、受電装置３は、従来の無線電力伝送システムのように個別設計の整合回路を必要としないため、大量の受電器の実装する場合において特に有利である。すなわち、これまで個別設計の整合回路により受電電力を等分配化していたものを受電制御回路により代替することで、大量生産可能かつ任意の位置に配置するだけで無線電力伝送システムを実現できる。

また、受電装置３は、各受電器５が自己の蓄電キャパシタ８の状況を元に受電制御を行うため、何らかの統合制御システムを必要とせず、制御を簡素化できる。例えば、送電器側で受電対象とする受電器を制御するようなシステムの場合には、設置されている全受電器の状態を送電器側で把握する必要があるのに加え、各受電器の受電状態をモニタリングするシステムを導入するか、各受電器からの受電要望を検知し、それに応じて他の受電器の受電状況を制御するなどの手順が必要になり、追加で実装するシステムが大規模になる。それに対し、本発明に係る無線電力伝送システムでは各受電器５が独立で受電状態を制御するため、全受電器の状態をモニタリングするなどの必要がない。また、必要に応じて受電器５を追加してもシステムの動作に影響を及ぼさない。統合制御を行うシステムの場合には受電器を追加するその都度、受電器リストを更新しなければならないため煩雑な制御が必要となるが、本発明にかかる無線電力伝送システムは簡便な制御で動作するため有用である。

前記無線給電設備１は共振器構造で形成される遮蔽空間の共振周波数を用いて電力を伝送するため、電磁波反射板４で遮蔽された空間が大型化すると使用周波数が低下する。従って、該使用周波数で共振する受電器５は波長との関係から大型化する。これをマイクロ波帯レクテナと同等規模に小型化するため、受電器５には、図４に示すような構造の受電器１１を用いる。受電器１１は、誘電体基板１２と前記誘電体基板１２の表面に、図５のように銅箔パターンにより形成される励振素子１３ａおよび励振素子１３ｂ、または、図６のように前記誘電体基板１２の裏面に銅箔パターンにより形成される装荷素子１４ａおよび装荷素子１４ｂにより構成される。

前記励振素子１３ａおよび１３ｂは、前記装荷素子１４ａおよび１４ｂと、それぞれ電磁界結合する。また、装荷素子１４ａと装荷素子１４ｂは電磁界結合している。これにより、受電器１１のリアクタンス成分が追加され、実効電気長が長くなる。その結果、前記共振周波数を大幅に低下させることができる。

受電装置３は、図７に示す構成で実現される。受電制御回路１６の受電切替部には高周波スイッチ１６ａを用い、状態制御部は制御信号生成回路１６ｂおよび電圧判定回路１６ｃで構成する。蓄電キャパシタ１８には２２００μＦのアルミ電解コンデンサを使用する。電圧判定回路１６ｃは上限しきい値電圧および下限しきい値電圧を検出するための電圧検出ＩＣで実現する。また、制御信号生成回路１６ｂは、前記電圧判定回路１６ｃと接続された論理ＩＣ（ＯＲ、ＡＮＤ、ＮＯＴ）で実現する。さらに、負荷であるセンサ搭載通信モジュール２１に定電圧を供給するため、蓄電キャパシタ１８とセンサ搭載通信モジュール２１の間にＤＣ／ＤＣコンバータ１９を接続する。また、整流回路１７には差動整流回路を用いる。

受電装置３では、蓄電キャパシタ１８に蓄えたエネルギーで一定時間負荷を駆動することが必要となるため、受電制御回路１６に用いられる回路素子は極めて低消費電流である必要がある。従って、受電制御回路１６にはいずれも１０μＡ以下の消費電流である半導体素子を用いる。また、センサ搭載通信モジュール２１も単位時間あたりの消費電流が蓄電キャパシタ容量に比べ十分に小さい物を使用する。

高周波スイッチ１６ａは、図８に示すように受電器１５の励振素子２３ａおよび励振素子２３ｂ間に並列に接続する。高周波スイッチ１６ａはオン状態時に入力電力をほぼ全反射するため、受電器１５で受電された電力は、後段の前記整流回路１７に入力されず、高周波スイッチ１６ａおよび受電器１５による損失を除いた分の電力が共振器構造に反射される。従って、高周波スイッチ１６ａをオン状態とすることで受電器１５は非受電状態となる。一方、高周波スイッチ１６ａがオフ状態の場合は受電器１５で受電された電力はほぼ全て整流回路１７へ入力されるため、高周波スイッチ１６ａをオフ状態とすることで受電器１５は受電状態となる。本実施例において、高周波スイッチ１６ａがオン状態の場合、受電器側から整流回路側への電力通過は１０％未満であるとともに、受電器側での電力反射は約８５％である。一方、高周波スイッチ１６ａがオフ状態時には受電器側から整流回路側への電力通過は９０％以上である。従って、高周波スイッチ１６ａの開閉状態を切り替えることにより、受電器１５が受電した電力を整流回路１７へ入力するか、消費せず反射させるかを制御できる。

前記整流回路１７の出力には蓄電キャパシタ１８が接続されており、該蓄電キャパシタの端子間電圧を電圧判定回路１６ｃ内の上限電圧検出器および下限電圧検出器で検出する。上限電圧検出器は、蓄電キャパシタ１８の上限充電電圧を検知し、下限電圧検出器は該蓄電キャパシタの下限充電電圧を検知する。これにより蓄電キャパシタ１８に一定時間前記センサ搭載通信モジュール２１を駆動可能な電力が蓄えられているか、および受電制御回路１６を動作させるための最低電圧を下回っていないかを検出する。

上限電圧検出器および下限電圧検出器は、しきい値電圧を超えた場合に論理１、しきい値以下の場合に論理０を出力する。これらの信号を図９に示す論理回路で構成する制御信号生成回路１６ｂに入力することにより、高周波スイッチ１６ａの制御信号１および２を生成する。本実施例で使用した高周波スイッチ１６ａは制御信号入力により各スイッチ端子を開閉するＳＰＤＴスイッチであり、制御信号入力に論理０が入力された側のスイッチ端子が閉じる。使用した高周波スイッチ１６ａの仕様から、この時もう一方の制御信号入力は論理１が入力されている必要があるため、制御信号生成回路１６ｂの出力には論理インバータを接続し、常に反転した信号が同時に得られるように構成されている。

以上の回路により、蓄電キャパシタ１８の充電電圧によって高周波スイッチ１６ａを制御する回路を実現できる。

受電器１５は、図１０および図１１のような構成で実現する。図１０に示すように、比誘電率３．４の高周波基板２２の表面に銅箔で励振素子２３ａおよび励振素子２３ｂを形成し、励振素子２３ａおよび２３ｂにＳＭＡコネクタ２５を接続する。図１１に示す高周波基板２２の裏面には励振素子２３ａおよび２３ｂと同形状の装荷素子２６ａおよび２６ｂを実装する。励振素子２３ａおよび２３ｂと、装荷素子２６ａおよび２６ｂは、高周波基板２２内で６回折り曲げられたメアンダ形状である。また、励振素子２６ａと励振素子２６ｂの間には、整流回路１７および高周波スイッチ１６ａの基準インピーダンスと受電器１５の入力インピーダンスを整合するための整合用キャパシタ２４を挿入する。また、ＳＭＡコネクタ２５の外導体の電位を共通化するためのＧＮＤパターン２７を高周波基板２２の裏面に形成する。

以上の構成の受電器を用いることで、小型で低い共振周波数を持つ受電器１５の実現が可能となる。

実施例１で構成した受電装置３の受電器１５に実施例２で構成した受電器を用いることにより、本発明に係る受電装置を実現できる。受電装置３を、例えば共振周波数が３５７．５ＭＨｚの金属箱内に配置し、受電器１５への入力電力が１５ｍＷとなるような高周波電力を送電器２から送信することにより、受電制御動作を実現できる。

１ 無線給電設備
２ 送電器
３ 受電装置
４ 電磁波反射板
５、１１、１５ 受電器
６、１６ 受電制御回路
７、１７ 整流回路
８、１８ 蓄電キャパシタ
９ 負荷
１０ 障害物
１２、２２ 誘電体基板
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ 励振素子
１４ａ、１４ｂ、２６ａ、２６ｂ 装荷素子
１６ａ 高周波スイッチ
１６ｂ 制御信号生成回路
１６ｃ 電圧判定回路
１９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０ バッファキャパシタ
２１ センサ搭載モジュール
２４ 整合用キャパシタ
２５ ＳＭＡコネクタ
２７ ＧＮＤパターン

Claims (10)

1. 電磁波を反射する材料で全面が囲われている無線給電設備において少なくとも１つ以上の送電器から非接触により受電するための受電装置であって、
   高周波を受電する受電器と、高周波を直流電流に変換する整流回路と、前記受電器と前記整流回路の間に接続された受電切替回路と、前記整流回路から出力される直流電流を蓄えるキャパシタと、前記キャパシタの充電電圧を検出する電圧検出手段を有する受電制御回路とを備え、
   前記受電器は、
   高周波基板の表面に線対称に形成された第１および第２の導電パターンによる第１および第２の励振素子と、
   前記高周波基板の裏面に前記第１および第２の導電パターンと同形状とする第１および第２の装荷素子と、
   前記第１および第２の励振素子に接続されるＳＭＡコネクタと、
   前記第１および第２の励振素子の間に挿入され、前記整流回路および前記受電切替回路の基準インピーダンスと入力インピーダンスとを整合するために設けられた整合用キャパシタと、
   前記ＳＭＡコネクタの外導体の電位を共通化するために前記高周波基板の裏面に形成されたＧＮＤパターンとを備えるものである
   ことを特徴とする受電装置。
2. 前記第１および第２の導電パターンは、前記高周波基板の表面において導体により少なくとも一か所の折曲部を有する形状とすることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
3. 前記第１および第２の励振素子には、前記受電切替回路が、該二つの励振素子に並列に接続されることを特徴とする請求項２に記載の受電装置。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の受電装置を少なくとも一つ備える無線電力伝送システムであって、
   金属によって全体が包囲された構造体と、
   該構造体の内部に設置された少なくとも一つの送電器と
   を備え、
   前記送電器は、前記構造体と電気的に等価な導波路共振器が有する共振周波数による電磁波を送信することを特徴とする無線電力伝送システム。
5. 前記構造体は、リアクタンス素子とみなすことができる金属体および／または絶縁体からなる遮蔽物と電気的に接続された電磁波反射材を少なくとも一つ備えることを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送システム。
6. 前記構造体は、該構造体の少なくとも一部が前記電磁波反射材とは異なる種類の電磁波反射部材が使用されることを特徴とする請求項５に記載の無線電力伝送システム。
7. 前記構造体は、電磁波反射部材によって包囲されており、該電磁波反射部材は、一部の領域または全体に貫通孔を有するものであることを特徴とする請求項４～６のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
8. 前記貫通孔は、前記電磁波反射部材の一部またはその全部が、比透磁率を有する材料によって網目状に形成して設けられるものであることを特徴とする請求項７のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
9. 前記共振周波数は、前記導波路共振器が有する基底共振周波数に設定されていることを特徴とする請求項４～８のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
10. 前記構造体の内部に金属体および／または絶縁体からなる遮蔽物が設置された無線伝送システムであって、
    前記共振周波数は、前記遮蔽物を電気的に等価なリアクタンス素子とみなして算出される基底共振周波数に設定されていることを特徴とする請求項４～９のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

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