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公開番号2025134717
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-17
出願番号2025088166,2023100978
出願日2025-05-27,2019-02-22
発明の名称自由空間電力伝送及びデータ通信システムのための送受信機アセンブリ
出願人ファイオン・テクノロジーズ・コーポレイション,PHION TECHNOLOGIES CORP.
代理人個人,個人
主分類H02J 50/30 20160101AFI20250909BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】無線電力伝送システムにおいてレーザ光を使用する、自由空間電力伝送及びデータ通信のための送受信機アセンブリを提供する。
【解決手段】送受信機アセンブリにおいて、受信機60のフォトダイオードアセンブリ62は、送信機からハイパワーレーザビームを受け取り、ハイパワーレーザビームを電気エネルギーに変換する。電圧変換器64は、フォトダイオードアセンブリ62から電圧変換器64に電気的に結合されたエネルギー貯蔵装置65への電力伝送を最大にするために、フォトダイオードアセンブリ62の電圧測定に基づいて入力インピーダンスを調整する。IRLED78及びIR通信フォトダイオード76は、送信機との自由空間光通信する。IRLED78は、少なくともエネルギー貯蔵装置65が充電を必要とするときに、送受信機の存在及び位置を示す信号を送信機に送信する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
無線電力伝送システムのための送受信機アセンブリであって、
前記送受信機アセンブリは送受信機システムを備え、
前記送受信機システムは、
前記送受信機システムとは別体である送信機からレーザビームを受け取り、前記レーザビームを電気エネルギーに変換するように構成されたフォトダイオードアセンブリと、
前記フォトダイオードアセンブリから、電圧変換器に電気的に結合されたエネルギー貯蔵装置への電力伝送を最大化するように、前記フォトダイオードアセンブリの電圧測定に基づいて入力インピーダンスを調整するように構成された電圧変換器とを備え、
前記送受信機システムは、
前記送信機を用いて、自由空間光通信を可能にするように構成された発光ダイオード及びフォトダイオードを備え、
前記発光ダイオードは、少なくとも前記エネルギー貯蔵装置が充電を必要とするときに、前記送受信機システムの存在及び位置を示す信号を前記送信機に送信し、
前記フォトダイオードアセンブリは、前記送受信機システムと他の送受信機システムとの間のランク付けされた優先順位に基づいて、前記エネルギー貯蔵装置を充電するために前記送信機から前記レーザビームを受信する、送受信機アセンブリ。
続きを表示（約 870 文字）【請求項２】
前記発光ダイオードは、前記フォトダイオードアセンブリを用いて、情報を含む信号を放射するように構成される請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項３】
前記発光ダイオード及び前記フォトダイオードは、前記フォトダイオードアセンブリの空間平面上に配置される請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項４】
前記エネルギー貯蔵装置は、電池と、コンデンサのバンクと、スーパーコンデンサのバンクとのうちの１つ又はそれ以上である請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項５】
前記電圧変換器はさらに、非エネルギー貯蔵装置に電力を直接に提供する請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項６】
前記フォトダイオードアセンブリのカソードは、前記送受信機システムの接地から電気的に絶縁されるように構成される請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項７】
前記フォトダイオードアセンブリのリード線は、抵抗性損失及び誘導性損失を低減するように構成される請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項８】
前記送受信機システムは、前記エネルギー貯蔵装置の上流にコンデンサをさらに含み、
前記コンデンサは、前記エネルギー貯蔵装置の端子における電流又は電圧の急速な上昇及び下降を減少させるように構成される請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項９】
前記発光ダイオードと前記フォトダイオードの第１のトレースと、前記フォトダイオードアセンブリと前記電圧変換器の第２のトレースとは、互いに物理的に分離されるように構成される請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
【請求項１０】
前記送受信機システムは、温度センサをさらに備え、
前記発光ダイオードは、前記送受信機システムの周囲の領域における温度を示す信号を放射する請求項１に記載の送受信機アセンブリ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、特にレーザ光を使用する、自由空間電力伝送及びデータ通信のための送受信機アセンブリに関する。
続きを表示（約 4,500 文字）【背景技術】
【０００２】
無線給電は、電子機器及び電気機器の移動性を高め、それらの利便性を高め、民生用電子機器、産業用機器、物のインターネット（ＩｏＴ）、ヘルスケアアプリケーションにおいて、デバイス（装置）設計の自由度を高めるための魅力的な解決法を提供する。スマートフォン、時計、その他の携帯機器のような家電製品に関しては、近距離（ＮＦＣ）無線電力伝送は中間的な解決法であるが、より柔軟で有用な長期的解決策よりも不十分である。近距離無線電力伝送の場合、電力を供給される無線デバイスは、一般的にインピーダンス整合ネットワークに接続された金属コイルと、例えば電池などの電力負荷に使用される整流器とで構成される受信機を含み、給電デバイスは、一般に発振器と電源に接続される受信機と同様のコイルで構成される送信機を含む。送信デバイスに時間依存の電圧と対応する電流が供給されると、コイル電流は周期的にハイとローの状態を交互に駆動される時間依存磁界を発生させ、これにより、受信機のコイルと結合し、送信デバイスから無線デバイスに電力を転送できる。高周波電界に基づく金属電極間の容量性結合は、近接場電力伝送のために同様に利用され得る。どちらの場合でも、無線デバイスは送信デバイスに物理的に近接している必要があり、しばしば正確にアライメント（位置合わせ）される必要があり、このことは技術の有用性を制限する要因である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
米国特許第６６３３０２６号明細書
米国特許第７０６８９９１号明細書
米国特許第７４２３７６７号明細書
米国出願公開第２０１０／００１２８１９号明細書
米国特許第５２２９５９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
遠距離無線電力伝送は典型的には、例えば無線周波数、レーザビームなどの電磁放射のビームによって伝送される電力に依存する。遠距離電力伝送に関連する制限要因には、方向性、安全性、及び全体的な電力伝送効率がある。一般に「パワービーム」と呼ばれる、パワーを転送するためのレーザビームの使用は、送信機又は光源と、受信機又は負荷との間に直接の見通しラインが必要であり、このことは、レーザ放射が短い時間間隔のための低電力レベルに曝露されたヒト及び動物における失明を引き起こす可能性があるので、安全上の懸念を引き起こす一方、持続的な曝露期間におけるハイパワーレベルは致命的となる可能性がある。
【０００５】
パワービームのいくつかの制限に対するいくつかの可能な解決策が開発された。例えば特許文献１では、仮想絶縁体を形成する単一のパワービームの周りに１つ又はそれ以上の光源が生成される。周囲の光源のいずれかが遮られると、パワービームをオフにするトリガが生成される。このシステムは、この特許では、無線デバイスから物理的に分離し、システムとして主に静止する受信機に依存する。モバイル電子デバイス及び電気機械デバイスを追跡する機能はない。システムはまた、以下の２つの部分からなるプロセスに依存して、パワービームをオンにし、１つは、以前から知られている場所及びパワービームでパワーを必要とする受信機のための第１の光源探索であり、受信機が見つかったら仮想絶縁体をオンにする。特許文献２には、複雑な電力伝送システムが記載されており、当該システムは、マイクロ波又はレーザビームを含み、電力の転送と、データ通信の両方を提供するが、技術的な詳細、つまり電力が伝送されるプロセスについては説明していない。特許文献１と同様に、特許文献２に記載されたシステムは、送信機が優先電力要求信号を受信機に送信することに依存しており、これにより、送信機の範囲内にデバイスがない場合、又は完全に充電されたデバイスのみがある場合に、電力が浪費される。
【０００６】
特許文献３には以下の別のアプローチが記載され、受信機を受信電力信号に合わせるために機械的なビームステアリングに依存するが、これはシステムの機械的側面に関連する多くの欠点をもたらす。デバイスの位置特定及び追跡は、当業者が本発明を物理システムに実装するのに十分詳細には説明されていない。この特許は、受信機からの反射に基づいて受信機を検出することのみを説明する。このことは、今度は反射リングの中心点の位置を特定する必要があり、多数のマッピングされたポイントのそれぞれからの反射光を比較する。送信機ビームがリング反射器の中心に近づくと、反射が著しく減少する光起電デバイスに影響を与え、その影響は同様に、送信ビームが半径方向にリングの中心から離れてゆくと、それにより目標を外す。反射は大幅に減少する。これら２つの状態がどのように区別されるかについての説明はない。同様に、特許文献４は、ポインティング機構に装着される透過型レーザとレンズを開示する。説明されるビームステアリング解決法では、例えばフォトダイオードなど、１０ｍｍ未満のスポットサイズのビームを向けるのに十分な精度の受信機などの光電変換器を見つけるためにカメラが必要である。実際には、このことは、無線デバイスの光学要素に大きなサイズの制約が生じ、すべての安全機能が送信機に課され、その送信機の故障への耐性がない一方、安全性は、ここで説明する発明では送信機と受信機の両方で処理される。特許文献５は、パワービームが受信機によって受信されていないとき、並びに受信されるときに危険なレベルではないときに、安全なレベルで動作する固定式の送信機と受信機が記載される。送信機と受信機の可動性の制限は、家電やモバイル電気機械システムではなく、例えば放送塔又は通信局として恒久的な構造又は端末デバイスに適する。
【０００７】
遠方界送電システムの重要な要素は受信機であり、受信機の重要な側面は光エネルギーが電気エネルギーに変換される方法である。電気的変換を最適化するための既存の解決策の１つは、フォトニックセンサの感光領域のサイズを大きくすることである。しかし、これには受信側でより多くの物理スペースが必要であるが、これにより、ユーティリティが削減され、デバイスコストが増加する。例えば太陽電池アレイなどの太陽電池は、電子に光子を変換するにはるかに効率的になるが、一般に可視光用に最適化されており、かなりの量の物理的なスペースが必要であり、例えば屋上設置で使用されるソーラーパネルの平均サイズは６５インチ×３９インチで、個々の太陽電池は６インチ×６インチである。そのような球は、小さな入口ポートと出口ポートを持つ中空の体積を有し、入射光を内面から反射して、光をエネルギーに変換する光電子デバイスに送る。そのような球は効率が悪い傾向があり、より多くの物理的なスペースを必要とする。一般的には、モバイル機器や他の多くの用途に有用であるためには余りにも大きい。多大の熱発生のため、必要な物理的スペースが少なく、広い帯域幅で動作できるが、光エネルギーを熱に変換した後電気エネルギーに変換するため効率が悪い。光起電モードで動作する多くのセンサは（電気的接続により）感光性領域への入射光を不明瞭にする接触配置を実装しているため、結合効率が低下する。同様のデバイスは、シングルモードライト用に特別に設計された材料構成や幾何学的配置なしで構築され、レーザから放射することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
無線電力伝送システムのための送受信機アセンブリが開示される。前記送受信機アセンブリは送受信機システムを備え、前記送受信機システムは、送信機からハイパワーレーザビームを受け取り、ハイパワーレーザビームを電気エネルギーに変換するように構成されたフォトダイオードアセンブリと、前記フォトダイオードアセンブリから電圧変換器に電気的に結合されたエネルギー貯蔵装置への電力伝送を最大化するように、前記フォトダイオードアセンブリの電圧測定に基づいて入力インピーダンスを調整するように構成された電圧変換器とを備える。前記入力インピーダンスの調整は、前記エネルギー貯蔵装置の充電効率を高める。前記送受信機システムは、前記送信機を用いて、自由空間光通信を可能にするように構成された発光ダイオード及びフォトダイオードを備える。前記発光ダイオードは、少なくとも前記エネルギー貯蔵装置が充電を必要とするときに、前記送受信機の存在及び位置を示す信号を送信機に送信する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施形態に係る送信機を示すブロック図である。
実施形態に係る送信機筐体の図である。
実施形態に係る受信機を示すブロック図である。
実施形態に係る受信機の複合放物面集光ミラーの図である。
別の実施形態に係る、受信機の先細りした入口を有する複合放物面集光ミラーの図である。
実施形態に係る受信機のフォトダイオードアセンブリの断面図である。
光の侵入深さをその波長の関数として示す。
実施形態に係る、フォトダイオードアセンブリの光吸収及び電子変換機能をよりよく説明するために、図６のフォトダイオードアセンブリの一部をさらに示す断面図である。
実施形態に係る、図５のフォトダイオードアセンブリのＰＩＮ構造と、キャリア輸送メカニズムをさらに示す断面図である。
実施形態に係る、図５のフォトダイオードアセンブリのバックコンタクトパターンの上面図を示す。
別の実施形態に係る、図５のフォトダイオードアセンブリのバックコンタクトパターンの上面図を示す。
実施形態に係る、プリント回路基板（ＰＣＢ）構成に統合された図９に図示されたバックコンタクトパターンを用いた図５のフォトダイオードアセンブリの断面図を示す。
図１０のＰＣＢ構成の上面図である。
実施形態に係る、フレネルレンズとフォトダイオードアレイの間の光の相互作のための断面図である。
実施形態に係るレンズスタックの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の無線電力伝送システムは、送信機と受信機の、２つのコア要素から構成され得る。送信機と受信機は同時に単一の受信機又は複数の受信機に送信機から無線で電力の効率的な伝送を可能にし、コリメートされた赤外線レーザビームを使用する。送信機は静止していて、信頼性の高い電源に接続されており、適度にコストに敏感で、適度なスペースに制約がある。受信機は移動体である場合があり、電池又は容量性電源を含む場合があり（すなわち、そこから電力を供給し、消費する、つまり、出力と入力）、コストに敏感であるペースに制約がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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