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公開番号2021090309
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210610
出願番号2019220407
出願日20191205
発明の名称無線送電器、および無線受電器
出願人パナソニック株式会社
代理人特許業務法人栄光特許事務所
主分類H02J 50/20 20160101AFI20210514BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】低消費電力で、受電電力を向上させる無線送電器を提供する。
【解決手段】無線送電器が、電波を送信するアンテナと、前記アンテナにより送信される電波の位相を変える移相回路と、少なくとも前記移相回路を制御する制御装置と、バックスキャッタ信号を受信するバックスキャッタ信号受信機と、を備え、前記制御装置は、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大になるように前記移相回路を制御する位相最適化処理を実行する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
無線送電器であって、
電波を送信するアンテナと、
前記アンテナにより送信される電波の位相を変える移相回路と、
少なくとも前記移相回路を制御する制御装置と、
バックスキャッタ信号を受信するバックスキャッタ信号受信機と、
を備え、
前記制御装置は、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大になるように前記移相回路を制御する位相最適化処理を実行する、
無線送電器。
続きを表示(約 2,600 文字)【請求項2】
前記制御装置は、山登り法を用いて、前記位相最適化処理を実行する、
請求項1に記載の無線送電器。
【請求項3】
前記制御装置は、前記移相回路の設定位相を、前記移相回路のある時点での設定位相を基準として線形に2πだけ単調増加または単調減少させ、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大となるまでの時刻を用いて前記位相最適化処理を実行する、
請求項1または請求項2に記載の無線送電器。
【請求項4】
前記制御装置は、前記移相回路の設定位相を、前記移相回路のある時点での設定位相を基準として線形に2πだけ単調増加または単調減少させたのち、前記単調増加または単調減少とは逆の方向に、線形に2πだけ前記移相回路の設定位相を変動させ、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大または最小となる時刻の相対値を用いて前記位相最適化処理を実行する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の無線送電器。
【請求項5】
基準周波数の信号を逓倍する逓倍器を備え、
前記アンテナは、前記逓倍器によって逓倍された電波を送信する、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無線送電器。
【請求項6】
基準周波数の信号を発振する基準周波数発振器を備え、
前記基準周波数発振器が発振した信号が前記逓倍器に入力される、
請求項5に記載の無線送電器。
【請求項7】
前記基準周波数発振器が発振した信号を外部に出力する出力部を備える、
請求項6に記載の無線送電器。
【請求項8】
基準周波数の信号が入力される入力部を備える、
請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の無線送電器。
【請求項9】
前記アンテナが円偏波アンテナである、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の無線送電器。
【請求項10】
電波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した信号を整流する整流回路と、逆流防止回路と、バックスキャッタ変調回路と、蓄電回路と、負荷とを備え、
前記バックスキャッタ変調回路がインピーダンス変調素子を備え、
前記アンテナが前記整流回路の入力に接続され、
前記整流回路の出力が前記インピーダンス変調素子に接続され、
前記逆流防止回路の一端が前記インピーダンス変調素子に接続され、他端が前記蓄電回路および前記負荷に接続されている、
無線受電器。
【請求項11】
前記バックスキャッタ変調回路が、発振回路と波形整形回路とを更に備え、
前記波形整形回路は、前記発振回路から入力されたクロックの波形を、デューティ比のより低い波形へと整形して、前記インピーダンス変調素子に入力する、
請求項10に記載の無線受電器。
【請求項12】
2以上の無線送電器と、1以上の無線受電器とを備えた無線電力伝送システムであって、
前記無線送電器は、電波を送信するアンテナと、前記アンテナにより送信される電波の位相を変える移相回路と、少なくとも前記移相回路を制御する制御装置と、バックスキャッタ信号を受信するバックスキャッタ信号受信機とを、を備え、
前記無線受電器は、電波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した信号を整流する整流回路と、バックスキャッタ変調回路と、蓄電回路と、負荷とを備え、前記無線受電器のアンテナは、受信した電波に応じて、前記バックスキャッタ変調回路によって変調されたバックスキャッタ信号を出力し、
前記無線送電器の前記制御装置が、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大になるように前記移相回路を制御する位相最適化処理を実行する、
無線電力伝送システム。
【請求項13】
少なくとも1つの前記無線送電器が備える前記制御装置が、山登り法を用いて、前記位相最適化処理を実行する、
請求項12に記載の無線電力伝送システム。
【請求項14】
少なくとも1つの前記無線送電器が備える前記制御装置が、前記無線送電器が備える前記移相回路の設定位相を、前記移相回路のある時点での設定位相を基準として線形に2πだけ単調増加または単調減少させ、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大となるまでの時刻を用いて前記位相最適化処理を実行する、
請求項12または請求項13に記載の無線電力伝送システム。
【請求項15】
少なくとも1つの前記無線送電器が備える前記制御装置が、前記無線送電器が備える前記移相回路の設定位相を、前記移相回路のある時点での設定位相を基準として線形に2πだけ単調増加または単調減少させたのち、前記単調増加または単調減少とは逆の方向に、線形に2πだけ前記移相回路の設定位相を変動させ、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大または最小となる時刻の相対値を用いて前記位相最適化処理を実行する、
請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項16】
前記無線送電器は、基準周波数の信号を逓倍する逓倍器を備え、
前記無線送電器の前記アンテナは、前記逓倍器によって逓倍された電波を送信する、
請求項12から請求項15のいずれか1項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項17】
少なくとも1つの前記無線送電器が、前記基準周波数の信号を発振する基準周波数発振器を備える、
請求項16に記載の無線電力伝送システム。
【請求項18】
前記基準周波数発振器が発振した信号が、複数の前記無線送電器の間で共有される、請求項17に記載の無線電力伝送システム。
【請求項19】
前記無線電力伝送システムに含まれる前記無線送電器が、1つずつ順番に前記位相最適化処理を実行する、
請求項12から請求項18のいずれか1項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項20】
前記無線送電器が備える前記アンテナが、円偏波アンテナである、請求項12から請求項19のいずれか1項に記載の無線電力伝送システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、無線送電器、無線受電器、および無線電力伝送システムに関する。
続きを表示(約 6,100 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、受電部と、蓄電部と、信号送信部と、を備え、受電部は、送電装置から無線で電力を受電し、蓄電部は、受電部が受電した電力を蓄電し、信号送信部は、検出信号を送信し、信号送信部は、蓄電部からの電力系統とは独立している受電装置が記載されている。かかる受電装置において、信号送信部は、前記送電装置からの電波を反射した反射波を、前記検出信号として送信することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2017−093223号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
複数の無線送電器から発振される電波同士の位相を最適化することにより、無線受電器における受電電力を向上することが可能であることが知られている。しかしながら、この位相の最適化を行うには、無線送電器と無線受電器との間の位相遅延の値を知る必要がある。位相遅延を知るためには、無線送電器と無線受電器との間で同期を取る必要があり、この同期を無線で行うことは、消費電力およびノイズ等の観点から困難である。
【0005】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、低消費電力で、受電電力を向上させる無線送電器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示は、無線送電器であって、電波を送信するアンテナと、前記アンテナにより送信される電波の位相を変える移相回路と、少なくとも前記移相回路を制御する制御装置と、バックスキャッタ信号を受信するバックスキャッタ信号受信機と、を備え、前記制御装置は、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大になるように前記移相回路を制御する位相最適化処理を実行する、無線送電器を提供する。これにより、低消費電力で、受電電力を向上させる無線送電器を提供することができる。
【0007】
また、本開示は、電波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した信号を整流する整流回路と、逆流防止回路と、バックスキャッタ変調回路と、蓄電回路と、負荷とを備え、前記バックスキャッタ変調回路がインピーダンス変調素子を備え、前記アンテナが前記整流回路の入力に接続され、前記整流回路の出力が前記インピーダンス変調素子に接続され、前記逆流防止回路の一端が前記インピーダンス変調素子に接続され、他端が前記蓄電回路および前記負荷に接続されている、無線受電器を提供する。これにより、上述の無線送電器に対してバックスキャッタ信号を反射する無線受電器を提供することができる。
【0008】
また、本開示は、2以上の無線送電器と、1以上の無線受電器とを備えた無線電力伝送システムであって、前記無線送電器は、電波を送信するアンテナと、前記アンテナにより送信される電波の位相を変える移相回路と、少なくとも前記移相回路を制御する制御装置と、バックスキャッタ信号を受信するバックスキャッタ信号受信機とを、を備え、前記無線受電器は、電波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した信号を整流する整流回路と、バックスキャッタ変調回路と、蓄電回路と、負荷とを備え、前記無線受電器のアンテナは、受信した電波に応じて、前記バックスキャッタ変調回路によって変調されたバックスキャッタ信号を出力し、前記無線送電器の前記制御装置が、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大になるように前記移相回路を制御する位相最適化処理を実行する、無線電力伝送システムを提供する。これにより、上述の無線送電器と無線受電器を備えた無線電力伝送システムを提供することができる。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、低消費電力で、受電電力を向上させる無線送電器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
分散型WPTの概要図
バックスキャッタの仕組みを示す概念図
本開示の無線電力伝送システム500を示すシステムブロック図
バックスキャッタ変調回路23を備えた無線受電器2の構成例を示す回路図
バックスキャッタ変調回路23を備えた無線受電器2の変形例を示す回路図
各無線送電器1の位相最適化についてのフローチャート
第1の位相最適化処理を示すフローチャート
ランプ回転法の一例を示す概念図
往復回転法の一例を示す概念図
複数の無線送電器1を1つずつ順番に位相最適化していった場の、無線受電器2が受け取る合成電力(受電電力)を示す概念図
複数の無線送電器1の間での周波数同期処理の実験例を示すブロック図
複数の無線送電器の間での周波数同期処理の実験例を示すブロック図
バックスキャッタ信号に変調をかける位置についての実験例を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【0012】
(本開示に至る経緯)
ワイヤレスセンサネットワークやウェアラブル端末においては、電源としてボタン電池などの一次電池、リチウムイオン電池等の二次電池のほか、太陽電池等のエナジーハーベスト素子等が使用されている。ここで、電池を用いる場合は、電池の交換や充電が必要である。一方、太陽電池等のエナジーハーベストデバイスは、電池交換は不要であるが、高コストであり、供給電力が環境に左右される。これらの電源に関する問題は、IoTデバイスの普及への障壁となっている。
【0013】
IoTデバイス等の端末への電源供給手段として、長距離で電力を無線給電可能な、マイクロ波無線給電技術が研究開発されている。しかしながら、マイクロ波は距離の二乗に反比例して減衰することから高効率での給電が困難である。加えて、マイクロ波は、その大部分が通信に利用されているので、無線給電手段としてマイクロ波を用いると、既存の通信機器に影響を与える可能性がある。さらに、大電力の供給のために大出力のマイクロ波を用いると、大出力のマイクロ波が、人体や生体等に悪影響を及ぼす可能性が否定できない。これらのことから、既存の無線給電技術は適用が難しい。よって、より小さな出力で、大きな電力供給が可能な技術が望まれる。
【0014】
(分散型WPT)
現在、電力供給を行う送電局を複数に分散化させた、分散型ワイヤレス電力伝送(WPT:Wireless Power Transfer/Transmission)が検討されている。図1に、分散型WPTの概要図が示される。
【0015】
分散型WPTは、低利得・低出力の送電局(無線送電器1)を複数設けて、これらを協調動作させることにより、高効率・高自由度な電力伝送を実現する。例えば、図1に示した送電局が、1つのシステムあたり数十台から数千台設けられる。これらの送電局からの電力が合成され、受電端末(無線受電器2)へと給電される。受電端末は、例えばIoT端末やビーコン等であってよい。
【0016】
分散型WPTの利点は、以下の通りである。まず、送電局側の利点として、低利得なアンテナや、低出力な電力増幅器(PA:Power Amplifier)を使用可能である。そのため、送電局を小型化および低コスト化することができ、人体防護も比較的容易となる。送信出力が小さいため、送電局を小型化した場合であっても放熱対策が容易である。小型かつ低コストのため、既存の照明器具や家電製品に組み込みが可能となる。
【0017】
受電端末側の利点は、以下の通りである。複数方向から電力が到来するため、低指向性な受電アンテナを使用可能となる。低指向性なアンテナは小型であることから、様々な小型機器に搭載可能である。また、送信ダイバーシティ効果の恩恵を受けることができることにより、給電時間率の高い受電が可能となる。
【0018】
送電局と受電端末とを備えたシステムとしての利点は、以下の通りである。送電局側の電力密度が低い為、本質的に人体影響が小さい。送電局が複数あるため、人体遮蔽等によって少数の送電局がOFFとなった場合であっても、電力伝送の効率劣化が少ない。複数の送電局の位置情報と受電電力情報から、受電端末の位置を推定可能である。複数の受電端末に同時に給電が可能である。
【0019】
(電力の合成)
送電局が複数存在する場合、各送電局が発振する電波を受信する受電端末は、受信した電波を合成して受け取ることになる。ここで、各送電局が送信する電波の周波数がそれぞれ等しく、また、各送電局から送信された電波の位相が受電アンテナにおいて等しい位相で受信される(位相差が0である)場合に、受電端末による受電電力は最大となることが知られている。すなわち、無線給電の効率を高めるためには、各送電局が送信する電波の周波数および位相を最適化する必要がある。
【0020】
各送電局が送信する電波の位相を最適化する為の方法として、受電端末による受電電力を用いる方法が考えられる。この方法においては、送電局側の位相をスイープし、受電端末による受電電力が最大となる時の、送電局が送信する電波の位相を、最適位相と決定する。この方法は、簡易なシステムで実現可能である利点があるものの、受電端末による受電電力を送電局にフィードバックする必要がある。
【0021】
しかしながら、IoTデバイス等の受電端末への無線給電を前提とすると、送電局と受電端末とは離隔した位置にあることが多いため、受電端末による受電電力をどのようにして送電局にフィードバックするかという課題が生じる。
【0022】
そこで、本開示の実施形態においては、受電端末から反射されるバックスキャッタ信号を活用して、上記の課題を解決する。
【0023】
(バックスキャッタ)
図2は、バックスキャッタの仕組みを示す概念図である。複数の送電局1Aおよび1Bは、同じ周波数(例えば920MHz)で、電波(連続波)を送信する。受電端末2はアンテナ21でこの電波(連続波)を受信するが、アンテナ21からの反射が発生する。このアンテナ21からの反射を、受電端末2が備えるバックスキャッタ変調回路23が変調することにより、バックスキャッタ(変調波)が生成される。図示した例においては、受電端末2に入射した920MHzの電波に対して、ミキサ(乗算器)として動作するバックスキャッタ変調回路23が、32khzの変調をかける。その結果、受電端末2のアンテナ21から送電局1Aおよび1Bへと戻る反射には、920MHz−32kHzの変調波と、920MHz+32kHzの変調波が含まれる。
【0024】
バックスキャッタ変調回路23はミキサ(乗算器)として働くので、受電端末2が受電した電力(受電電力)と、バックスキャッタ信号の強度との間には、おおむね比例関係が成り立つ。そのため、送電局1Aおよび1Bは、バックスキャッタ信号を受信して、バックスキャッタ信号の強度から、受電電力の強度を推定することができる。より詳しくは、受電電力を最大にするために、送電局1Aおよび1Bは、送電局が送信する電波(例えば920MHzのマイクロ波)の位相を、バックスキャッタ信号の強度が最大となるような位相へと調整する。バックスキャッタ信号の強度が最大になっている時、受電端末2の受電電力も最大となっているから、上記のように調整した後の位相が、最適位相になる。本開示の無線送電器は、このようにバックスキャッタ信号の性質を活用して、消費電力を抑えたまま、受電電力を増大させる。
【0025】
(システムブロック図)
図3は、本開示の無線電力伝送システム500を示すシステムブロック図である。無線電力伝送システム500は、2以上の無線送電器1Aおよび1Bと、1以上の無線受電器2とを備えている。2以上の無線送電器1Aおよび1Bは、有線または無線で相互に接続されていてよい。
【0026】
無線送電器1は、例えば、30m×30mの空間に256個配置される、等のように、同一空間に多数配置されていてよい。1つの無線送電器1は、アンテナ15と、基準周波数発振器11と、逓倍器12と、移相回路13と、アンプ14と、バックスキャッタ信号受信機16と、制御装置17とを備えている。アンテナ15は、円偏波アンテナであってよいが、他のタイプのアンテナであってもよい。アンテナ15として円偏波アンテナを用いる場合、アンテナ21が回転した場合においても偏波整合損失を低減することが可能となる。
【0027】
無線送電器1は、アンテナ15から電波を送信する。この電波は例えば送信周波数920MHzのマイクロ波(連続波)であってよく、後述の無線受電器2により受信される。以下、説明の便宜のため、アンテナ15から送信される電波は、送信周波数920MHzのマイクロ波であるとして説明を行う。ただし、前記はあくまで一例であり、送信周波数は920MHz以外の値であってもよい。
【0028】
上述の920MHzの電波を生成するために、基準周波数発振器11が、基準周波数の信号を発振する。この基準周波数は、例えば10MHzであってよく、アンテナ15が送信する電波よりも周波数の低いものである。ただし、基準周波数は、10MHz以外の値であってもよい。
【0029】
基準周波数発振器11が発振した10MHzの信号を、逓倍器12が逓倍する。逓倍器12の具体例は、PLL回路である。この逓倍の結果、周波数が920MHzの信号が生成され、後述の移相回路13へと入力される。
【0030】
移相回路13は、制御装置17による制御の下、逓倍器12から入力された信号の位相を変える。特に移相回路13は、制御装置17による制御の下、逓倍器12から入力された信号の位相を変えて、アンテナ15から送信される電波の位相が最適位相になるように調整する(位相最適化)。この位相最適化処理については、図6〜図10に基づき後述する。
(【0031】以降は省略されています)

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