DE112014000582T5

DE112014000582T5 - Energieübertragungseinheit, Energieempfangseinheit, Energieversorgungssystem und Energieversorgungsverfahren

Info

Publication number: DE112014000582T5
Application number: DE112014000582.7T
Authority: DE
Inventors: Kohji Takano; Daiju Nakano; Nobuyuki Ohba
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-03-01
Also published as: US10069347B2; JP5916004B2; US20160049831A1; US20170353057A1; US10020689B2; WO2014156465A1; US9711998B2; DE112014000582B4; US10903689B2; US10014727B2; JPWO2014156465A1; US20180375381A1; US20170353058A1; US20170353059A1; US20170222487A1; US10008885B2

Abstract

Es werden eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit, ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren bereitgestellt, die Energie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen zuführen können. Eine Energieübertragungseinheit (110) weist auf: eine Berechnungseinheit (122) zum Berechnen des Maximalwertes für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen, der Bestrahlungsnormen entspricht, auf der Grundlage einer Antwortverzögerungszeit, die durch die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit (110) und der Energieempfangseinheit (150) gemessen wurde; eine Energieübertragungseinheit (128) zum Übertragen von Energie über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieempfangseinheit (150) mit einer Ausgangsleistung, die den Maximalwert nicht überschreitet; eine Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit (126) zum Erkennen einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage von Datenaustausch mit der Energieempfangseinheit (150) über die Datenaustauschverbindung; und eine Ausgangssteuereinheit (124) zum Begrenzen der Ausgangsleistung auf der Grundlage der Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit, ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren und insbesondere eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit, ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren, die Elektroenergie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen übertragen können.
HINTERGRUND
Mit der Zunahme der Geschwindigkeit des drahtlosen Datenaustauschs wird immer mehr des über Landleitungen durchgeführten Datenaustauschs durch drahtlosen Datenaustausch abgelöst. Elektroenergie wird jedoch über Landleitungen übertragen, und es muss eine Verkabelung installiert werden, um drahtlose Datenaustauscheinheiten mit Energie zu versorgen. Um die drahtlose Revolution weiter voranzubringen, sodass sowohl Datenaustausch als auch die Versorgung mit Energie möglich werden, müssen Technologien zur drahtlosen Versorgung mit Elektroenergie entwickelt werden.
Als Möglichkeit zur drahtlosen Versorgung mit Elektroenergie haben kontaktlose Energieübertragungsmethoden Beachtung gefunden (siehe zum Beispiel die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2009-261156 (Patentdokument 1)), aber diese Methoden übertragen Energie unter Verwendung nicht ausgesendeter Energie hauptsächlich auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion. Infolgedessen nimmt der Wirkungsgrad der Energieübertragung mit zunehmender Entfernung zwischen dem Energiesender und dem Energieempfänger ab, und der praktische Bereich erstreckt sich bei dieser Methode von mehreren Millimetern bis hin zu mehreren Dutzend Zentimetern. Selbst im Falle des Elektromagnetfeldresonanz-Verfahrens ist die Versorgung mit Elektroenergie auf kurze Entfernungen von einem Meter oder weniger beschränkt. Diese kontaktlosen Methoden sind bei der Energieversorgung über relativ kurze Entfernungen effektiv, aber sie sind für die Verkabelung sowohl in Innenräumen als auch im Freien kein Ersatz.
Als weitere Art von kontaktlosen Energieübertragungsverfahren wurden Energieübertragungsmethoden über Mikrowellen und Laserstrahlen im freien Raum untersucht. Diese Forschung hat sich hauptsächlich auf Energieübertragungsmethoden über große Entfernungen zwischen der Erdoberfläche und dem Weltraum konzentriert, aber aufgrund von Problemen, die speziell mit Energieübertragungsmethoden für große Entfernungen verbunden sind, benötigt die Entwicklung praktischer Anwendungen noch Zeit.
Die Energieübertragung mittels Laser wurde kürzlich als Energieübertragungsverfahren für bewegliche Objekte wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge vorgeschlagen. Beispielsweise wird ein Laserstrahl-Energieübertragungssystem in der Offenlegungsschrift Nr. 2010-166675 (Patentdokument 2) offenbart, das ein Elektrofahrzeug aufweist, das einen Laserstrahl empfängt, den Laserstrahl in Elektroenergie umwandelt und die resultierende Energie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzt, und eine außerhalb des Elektrofahrzeugs installierte Elektroenergieversorgung zum Übertragen des Laserstrahls zum Elektrofahrzeug, während die relative Position zwischen dem Fahrzeug und der Energieversorgung automatisch angepasst wird. Die Laser-Energieübertragungsmethode im Patentdokument 2 ist eine Methode für relativ kurze Entfernungen, bei der ein Laserstrahl von einer Phasengruppen-Lichtaussendeeinheit, die oben an einer Brücke oder in einem Tunnel in einer Struktur installiert ist, zu einer Phasengruppen-Lichtempfangseinheit ausgesendet wird, die im Dach eines Elektrofahrzeugs installiert ist. Diese Laser-Energieübertragungsmethoden wurden aufgrund von Problemen wie z. B. Schwierigkeiten bei der Ausrichtung und schlechter Wirkungsgrad nicht für den praktischen Gebrauch entwickelt.
Die International Electrotechnical Commission hat zum Thema Sicherheit von Lasereinheiten das Dokument IEC 60825-1, „Safety of Laser Products – Part 1: Equipment classification, requirements, and user's guide”, herausgegeben. Die internationalen Sicherheitsnormen und die Sicherheitsnormen von Ländern, die den internationalen Normen entsprechen, enthalten Regelungen zu Lasereinheiten, die auf Indikatoren beruhen, die als MZB (MZB = maximal zulässige Bestrahlung) (Maximum Permissible Exposure, MPE) und GZS (GZS = Grenzwert der zugänglichen Strahlung) (Accessible Emission Limit, AEL) bezeichnet werden. Lasereinheiten werden nach diesen Sicherheitsnormen klassifiziert, wobei einigen Laserprodukten aufgrund technischer Mittel, die zur Begrenzung der Bestrahlung eingesetzt werden, z. B. Gehäuse und Sicherheitsverriegelungen, eine niedrigere Klasse zugeteilt werden kann, als der tatsächlichen Leistung des Lasers entspricht. DVD-Einheiten, Blue-Ray-Einheiten (Blue-Ray ist eine eingetragene Marke) und Laserdrucker sind Produkte, die in Übereinstimmung mit diesen Sicherheitsnormen vermarktet werden.
Lasereinheiten mit einer Ausgangsleistung im Bereich von 1 W werden auch bei Laserbildschirmen und Laserlichtshows in Konzerthallen verwendet. Lasereinheiten, die einen scannenden Laserstrahl aussenden, werden anhand der Aussendung des scannenden Laserstrahls klassifiziert. Infolge von Störungen beim Scannen, zum Beispiel Änderungen bei der Scangeschwindigkeit oder Scanamplitude, wurden Sicherheitsvorkehrungen getroffen, sodass keine Bestrahlung auftritt, die den GZS-Wert bei einer bestimmten Klasse überschreitet.
Es ist eine Energieübertragungsmethode mithilfe der Aussendung elektromagnetischer Wellen wie zum Beispiel Laserstrahlen erwünscht, um wirklich drahtlose Datenaustauscheinheiten zu schaffen, die drahtlos Daten mit hohen Geschwindigkeiten übertragen und Energie empfangen können. Die Ausgangsleistung der Aussendung muss jedoch erhöht werden, um Energie in angemessener Weise zu übertragen. Daher ist die Entwicklung einer Methode erwünscht, die Energie über die Aussendung elektromagnetischer Wellen mit noch höheren Ausgangsleistungen übertragen kann und gleichzeitig die Bestrahlungsnormen erfüllt.
Eine Notstoppfunktion für die Zufuhr von Energie über Licht wurde in der Offenlegungsschrift Nr. 11-230856 (Patentdokument 3) offenbart. Im Patentdokument 3 wird eine Konfiguration offenbart, bei der das Vorhandensein von Unregelmäßigkeiten bei optischen Rückmeldungen über einen getrennten Lichtwellenleiter erkannt wird, der im selben Kabel wie der Lichtwellenleiter untergebracht ist, der die optische Energie überträgt. Die Methode im Patentdokument 3 betrifft jedoch die Übertragung optischer Energie über Kabel und trägt nicht zur Förderung der drahtlosen Revolution bei, bei der auch die Übertragung von Elektroenergie möglich ist.
Zitierte Dokumente
Patentdokumente

Patentdokument 1: Offenlegungsschrift Nr. 2009-261156
Patentdokument 2: Offenlegungsschrift Nr. 2010-166675
Patentdokument 3: Offenlegungsschrift Nr. 11-230856

KURZDARSTELLUNG
Durch die Erfindung gelöstes Problem
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der Unzulänglichkeiten des Stands der Technik entwickelt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit, ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren über die Aussendung elektromagnetischer Wellen bereitzustellen und gleichzeitig vorgegebene Normen zur Bestrahlung zu erfüllen, deren Einhaltung beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten vorausgesetzt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit, ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren bereitzustellen, mit dem die Sicherheit weiter verbessert werden kann.
Mittel zur Lösung des Problems
Zur Lösung dieser Probleme stellt die vorliegende Erfindung eine Energieübertragungseinheit bereit, die Energie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen zu einer Energieempfangseinheit übertragen kann. Diese Energieübertragungseinheit hat die folgenden Eigenschaften: Die Energieübertragungseinheit berechnet auf der Grundlage einer Antwortverzögerungszeit, die durch die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieempfangseinheit gemessen wurde, den Maximalwert für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen, der Bestrahlungsnormen entspricht. Die Energieübertragungseinheit überträgt außerdem über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieempfangseinheit Energie mit einer Ausgangsleistung, die den Maximalwert nicht überschreitet. Darüber hinaus erkennt die Energieübertragungseinheit Unregelmäßigkeiten bei der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage eines Datenaustauschs mit der Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung und begrenzt die Ausgangsleistung der Aussendung elektromagnetischer Wellen auf der Grundlage der Erkennung von Unregelmäßigkeiten bei der Energieversorgungsverbindung.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Energieempfangseinheit bereit, die Elektroenergie empfangen kann, die von einer Energieübertragungseinheit durch Aussenden elektromagnetischer Wellen zugeführt wird. Diese Energieempfangseinheit hat die folgenden Eigenschaften: Die Energieempfangseinheit kann Daten austauschen, sodass die Antwortverzögerungszeit beim Datenaustausch über die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieempfangseinheit und der Energieübertragungseinheit ausgewertet werden kann. Die Energieempfangseinheit empfängt außerdem Elektroenergie, die über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieübertragungseinheit mit einer Aussende-Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen zugeführt wird, die entsprechend der Antwortverzögerungszeit den Maximalwert nicht überschreitet, der Bestrahlungsnormen entspricht. Darüber hinaus erfasst die Energieempfangseinheit die Menge der durch die Energieempfangseinheit empfangenen Energie, um die Ausgangsleistung der Energieversorgungseinheit als Reaktion auf eine Unregelmäßigkeit zu begrenzen, die bei der Energieversorgungsverbindung auftritt.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Energieversorgungssystem bereit, das eine Energieübertragungseinheit aufweist, die Energie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen übertragen kann, und eine Energieempfangseinheit, die Energie empfangen kann, die durch die Energieübertragungseinheit zugeführt wird.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Energieversorgungsverfahren bereit, das zwischen einer Energieübertragungseinheit, die Energie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen übertragen kann, und einer Energieempfangseinheit ausgeführt wird, die Energie empfangen kann, die durch die Energieübertragungseinheit zugeführt wird. Dieses Energieversorgungsverfahren weist die Schritte des Auswertens der Antwortverzögerungszeit beim Datenaustausch über die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieempfangseinheit auf, des Berechnens des Maximalwertes für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen, der Bestrahlungsnormen entspricht, auf der Grundlage der Antwortverzögerungszeit und des Übertragens von Energie mithilfe der Energieübertragungseinheit über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieempfangseinheit mit einer Ausgangsleistung, die den Maximalwert nicht überschreitet. Das Energieversorgungsverfahren weist außerdem die Schritte des Erkennens von Unregelmäßigkeiten bei der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage eines Datenaustauschs mit der Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung und das Veranlassen der Energieversorgungseinheit auf, die Ausgangsleistung der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage der Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung zu begrenzen.
Auswirkung der Erfindung
Die oben beschriebene Konfiguration kann über die Aussendung elektromagnetischer Wellen Energie übertragen und gleichzeitig vorgegebene Normen zur Bestrahlung erfüllen, deren Einhaltung beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten vorausgesetzt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschema, das ein Laser-Energieversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Darstellung, die die Funktionsblöcke und den Datenfluss bei einer Laser-Energieübertragungseinheit und einer Laser-Energieempfangseinheit in einem Laser-Energieversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Steuerung des Laserausgangs.
4 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerelemente zeigt, die durch die Laser-Energieübertragungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
5 ist eine Darstellung, die das Verhältnis des Austauschs von Daten zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit und der Laser-Energieempfangseinheit sowie dessen zeitlicher Abläufe zur Laserausgangsleistung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht.
6 ist eine Darstellung, die die Funktionsblöcke und den Datenfluss bei einer Laser-Energieübertragungseinheit und einer Laser-Energieempfangseinheit in einem Laser-Energieversorgungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Austausch von Daten zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit und der Laser-Energieempfangseinheit sowie dessen zeitliche Abläufe und der Laserausgangsleistung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht.
8 ist ein Funktionsblockschema, das die Ausrichtung der drahtlosen Datenaustauschverbindung und der drahtlosen Energieversorgungsverbindung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Ausrichtungssteuerelemente zeigt, die durch die Laser-Energieübertragungseinheit bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
10 ist eine Grafik, in der die Gesamtenergiezufuhr (W), die der Klasse 1 der Sicherheitsnormen entspricht, in Bezug auf die Aussendedauer (s) aufgezeichnet ist.
11 ist eine Darstellung, die die Ausrichtung der Laseraussendung nach dem Stand der Technik erläutert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Folgende ist eine Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die nachstehend erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist. Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsformen werden ein Beispiel einer Energieübertragungseinheit, einer Energieempfangseinheit und eines Energieversorgungssystems mithilfe einer Laser-Energieübertragungseinheit 110, einer Laser-Energieempfangseinheit 150 und eines Laser-Energieversorgungssystems 100 erläutert.
1 ist ein Blockschema, das ein Laser-Energieversorgungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Laser-Energieversorgungssystem 100 bei der vorliegenden Ausführungsform weist eine Laser-Energieübertragungseinheit 110 und eine Laser-Energieempfangseinheit 150 auf, die an einem Ort in einiger Entfernung von der Laser-Energieübertragungseinheit 110 installiert sind.
Die Laser-Energieübertragungseinheit 110 weist ein Laserelement 114 auf und empfängt von einer Energiequelle 102 eine Zufuhr von Energie und gibt einen Laserstrahl vom Laserelement 114 ab, um Elektroenergie drahtlos zur Laser-Energieempfangseinheit 150 zu übertragen. Die Laser-Energieempfangseinheit 150 weist ein fotoelektrisches Umwandlungselement 154 auf und empfängt über das fotoelektrische Umwandlungselement 154 den durch die Laser-Energieübertragungseinheit 110 ausgesendeten Laserstrahl, um Elektroenergie drahtlos zu empfangen.
Hierbei wird die Verbindung, die zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit 110 und der Laser-Energieempfangseinheit 150 zur Zufuhr von Elektroenergie aufgebaut wird, als drahtlose Energieversorgungsverbindung bezeichnet. Die drahtlose Energieversorgungsverbindung wird zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit 110 und der Laser-Energieempfangseinheit 150 aufgebaut, indem die Laseraussenderichtung so ausgerichtet wird, dass der durch das Laserelement 114 ausgesendete Laserstrahl ordnungsgemäß in das fotoelektrische Umwandlungselement 154 einfällt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die drahtlose Energieversorgungsverbindung nicht durch einen Wellenleiter definiert, sondern durch den Strahlengang eines Laserstrahls, der sich durch die Luft ausbreitet.
Die oben beschriebene Laseraussendung kann aus monochromen elektromagnetischen Wellen wie zum Beispiel Infrarotlicht, sichtbarem oder ultraviolettem Licht oder aus einer Mischung dieser elektromagnetischen Wellen bestehen. Bei der Erläuterung der vorliegenden Ausführungsform wird Energie mittels Laseraussendung zugeführt. Die zur Zufuhr von Energie ausgesendeten elektromagnetischen Wellen sind jedoch nicht auf Laserstrahlen beschränkt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann Energie mithilfe der Aussendung elektromagnetischer Wellen in einem anderen Wellenbereich, beispielsweise im Mikrowellenbereich, zugeführt werden.
Die Laser-Energieempfangseinheit 150 führt die empfangene Elektroenergie einem Verbraucher 190 zu, der extern angeschlossen oder intern integriert ist. Für den Verbraucher 190 gelten keine besonderen Einschränkungen. Es kann sich um eine beliebige Einheit oder Komponente handeln, die Elektroenergie verbraucht oder speichert, zum Beispiel um einen Projektor, eine Überwachungskamera oder eine Sekundärbatterie.
Die Laser-Energieübertragungseinheit 110 und die Laser-Energieempfangseinheit 150 sind bei der vorliegenden Erfindung mit Antennen 112 bzw. 152 versehen, die so gestaltet sind, dass sie einen drahtlosen Datenaustausch aufbauen. Hierbei wird die Verbindung, die zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit 110 und der Laser-Energieempfangseinheit 150 zum Austausch von Daten aufgebaut wird, als drahtlose Datenaustauschverbindung bezeichnet. Die drahtlose Datenaustauschverbindung unterscheidet sich von der oben erwähnten drahtlosen Energieversorgungsverbindung. Die drahtlose Datenaustauschverbindung weist vorzugsweise eine hohe Richtcharakteristik auf. Die drahtlose Energieversorgungsverbindung weist normalerweise eine höhere Richtcharakteristik als die drahtlose Datenaustauschverbindung auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nutzt die drahtlose Datenaustauschverbindung elektromagnetische Wellen (Millimeterwellen) in einem Frequenzband von mehreren Dutzend GHz (normalerweise 60 GHz), um Datenaustauschgeschwindigkeiten oberhalb von mehreren Gbit/s zu realisieren.
Für die Antennen 112 und 152 gelten keine besonderen Einschränkungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch eine Antenne mit steuerbarer Richtungscharakteristik genutzt, zum Beispiel eine aktive Gruppenantenne, bei der eine Vielzahl von Antennen angeordnet ist. Bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung können die Laser-Energieübertragungseinheit 110 und die Laser-Energieempfangseinheit 150 Daten entweder als Sender oder Empfänger austauschen.
Die in 1 dargestellte Laser-Energieübertragungseinheit 110 steuert die ausgesendete Laserausgangsleistung und führt der Laser-Energieempfangseinheit 150 Elektroenergie drahtlos zu, während sie mittels Datenaustausch in der drahtlosen Datenaustauschverbindung Daten mit der Laser-Energieempfangseinheit 150 austauscht. Die Entfernung zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit 110 und der Laser-Energieempfangseinheit 150 hängt von der Richtungscharakteristik des Laserstrahls und den drahtlosen elektromagnetischen Wellen und der Umgebung ab, in der die Einheiten verwendet werden. Diese Entfernung kann eine beliebige Entfernung innerhalb eines Bereiches sein, in dem der Laserstrahl eine geeignete Energiemenge wirksam übertragen und in der drahtloser Datenaustausch mit einer geeigneten Geschwindigkeit aufrechterhalten werden können.
Die Lasereinheit bei der Laser-Energieübertragungseinheit 110 unterliegt internationalen Normen über die Sicherheit von Lasereinheiten („Safety of Laser Products – Part 1: Equipment classification, requirements, and user's guide” IEC 60825-1) sowie länderspezifischen Sicherheitsnormen, die diesen internationalen Normen entsprechen (JIS C 6802).
In den Normen des JIS C 6802 sind „Laserprodukte der Klasse 1” als „alle Laserprodukte, bei denen der menschliche Körper während des Betriebs keiner Laserbestrahlung ausgesetzt ist, die den Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) hinsichtlich Wellenlänge und Aussendedauer der Klasse 1 überschreitet” definiert. Hierbei ist „Aussendedauer” als „die Dauer von Impulsen, Impulsfolgen oder der Daueraussendung eines Lasers, der der menschlichen Körper infolge des Betriebs, der Wartung oder Reparatur einer Lasereinheit ausgesetzt ist” definiert. Bei einem einzelnen Impuls ist die Aussendedauer die Zeitspanne zwischen der Hälfte der Vorderflanke und der Hälfte der Rückflanke des Impulses. Bei einer kontinuierlichen Impulsfolge (oder einer Gruppe von Teilimpulsen in der Haupt-Impulsfolge) ist die Aussendedauer die Zeitspanne zwischen der Hälfte der Vorderflanke des ersten Impulses und der Hälfte der Rückflanke des letzten Impulses.
Der „Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS)” ist als der „in jeder Klasse maximal zulässige Bestrahlungswert” definiert und die „zugängliche Strahlung” ist als „der Bestrahlungswert, der bei Verwendung einer vorgegebenen Öffnungsblende an einer bestimmten Position festgelegt ist [bei Angabe des GZS-Wertes in Watt pro Quadratmeter (W/m^–2) oder Joule pro Quadratmeter (J/m^–2)]” definiert. Die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) ist als „die Laserbestrahlung in einer normalen Umgebung, die keine Gefahr für einen menschlichen Körper darstellt, der der Bestrahlung ausgesetzt ist” definiert. Der „MZB-Wert” ist „der maximale Wert, bei dem die Bestrahlung keine sofortigen oder langfristigen Schäden an Augen und Haut verursacht”. Der Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) wird im Allgemeinen aus der maximal zulässigen Bestrahlung (MZB) abgeleitet.
Bei dem in 1 dargestellten Laser-Energieversorgungssystem 100 breitet sich ein Laserstrahl in der Luft von der Laser-Energieübertragungseinheit 110 zur Laser-Energieempfangseinheit 150 aus. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein Hindernis zwischen die Laser-Energieübertragungseinheit und die Laser-Energieempfangseinheit gelangt und den Strahlengang blockiert, kann der Laserstrahl zum Beispiel aufgrund von Reflexion an der Oberfläche des Hindernisses außerhalb des Strahlengangs ausgesendet werden. Das Hindernis selbst kann ebenfalls dem Laserstrahl ausgesetzt sein. Daher sind unmittelbar nach Auftreten einer Unregelmäßigkeit, zum Beispiel eines Hindernisses, das den Strahlengang blockiert, Steuerelemente erforderlich, um den Pegel der Aussendung, der während der Reaktionszeit auftreten kann, auf einen vorgegebenen Bezugswert zu verringern, bis die Laserausgangsleistung in ausreichender Weise eingeschränkt wurde.
Daher wird bei dem Laser-Energieversorgungssystem 100 in der vorliegenden Ausführungsform eine beliebige Unregelmäßigkeit, die bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung und der drahtlosen Datenaustauschverbindung auftritt, auf der Grundlage von Datenaustausch über die drahtlose Datenaustauschverbindung erkannt, während Energie innerhalb eines vorgegebenen Ausgangsleistungsbereiches über die Energieversorgungsverbindung übertragen wird, und die Laserausgangsleistung wird als Reaktion auf das Auftreten einer Unregelmäßigkeit eingeschränkt. Das Folgende ist eine ausführliche Erläuterung des Energieversorgungsverfahrens, das durch die Energieübertragungseinheit 110 und die Energieempfangseinheit 150 in der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird, wobei auf 2 bis 10 Bezug genommen wird.
2 ist eine Darstellung, die die Funktionsblöcke und den Datenfluss bei einer Laser-Energieübertragungseinheit 110 und einer Laser-Energieempfangseinheit 150 in einem Laser-Energieversorgungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 2 dargestellte Laser-Energieübertragungseinheit 110 weist eine drahtlose Datenaustauscheinheit 120, eine Berechnungseinheit 122 für die maximale Ausgangsleistung, eine Laserausgangssteuereinheit 124, eine Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 und eine Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung auf. Die in 2 dargestellte Laser-Energieempfangseinheit 150 weist eine drahtlose Datenaustauscheinheit 160 und einen fotoelektrischen Wandler 162 für den Energieempfang auf.
Die drahtlosen Datenaustauscheinheiten 120 und 160 in der Laser-Energieübertragungseinheit 110 bzw. in der Laser-Energieempfangseinheit 150 sind drahtlose Datenaustauschschnittstellen für den drahtlosen Datenaustausch in beiden Richtungen. Während des Empfangs empfangen die drahtlosen Datenaustauscheinheiten 120 und 160 Trägerwellen, die sich durch die Luft jeweils über die Antenne 112 bzw. 152 ausbreiten, und stellen die empfangenen Daten auf der Grundlage eines vorgegebenen Modulationsschemas wieder her. Während des Sendens moduliert die Datenaustauscheinheit 120 die gesendeten Daten auf der Grundlage eines vorgegebenen Modulationsschemas und gibt die Signale als Trägerwellen über die Luft ab. Für das Modulationsschema gelten keine besonderen Einschränkungen. Zu Beispielen von Modulationsschemata gehören M-ary Phase Shift Keying (MPSK) und M-ary Quadrature Amplitude Modulation (MQAM).
Die Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung in der Laser-Energieübertragungseinheit 110 weist normalerweise ein GaAs-, InGaAs- oder InGaAsP-Halbleiterlaserelement auf. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Laserelement 114 einen Gaslaser oder einen Festkörperlaser nutzen. Die Betriebsart des Laserelements kann eine Dauerstrichbetriebsart oder eine Betriebsart mit gepulsten Wellen sein. Für die Wellenlänge der Laseraussendung des Laserelements gelten keine besonderen Einschränkungen.
Der fotoelektrische Wandler 162 für den Energieempfang in der Laser-Energieempfangseinheit 150 weist ein fotoelektrisches Umwandlungselement auf, das den empfangenen Laserstrahl fotoelektrisch umwandelt, um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen. Das fotoelektrische Umwandlungselement kann eine Fotodiode oder eine Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad in Bezug auf die Wellenlänge des Lasers sein, die durch die Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung ausgesendet wird.
Die Berechnungseinheit 122 für die maximale Ausgangsleistung wertet die Antwortverzögerungszeit aus, die bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit 110 und der Energieempfangseinheit 150 festgestellt wurde, und berechnet auf der Grundlage der ausgewerteten Antwortverzögerungszeit den Maximalwert (den maximal zulässigen Wert) der Laseraussendeleistung, die den Normen für die zulässige Bestrahlung entspricht. Hierbei wird der maximal zulässige Wert der Laseraussendeleistung so berechnet, dass ein vorgegebener Standardbestrahlungswert nicht überschritten wird, wenn der Laser mit der Ausgangsleistung des maximal zulässigen Wertes für die Dauer der Reaktionszeit ausgesendet wird, während der die Laserausgangsleistung nach Auftreten einer Unregelmäßigkeit auf einen ausreichend niedrigen Wert begrenzt werden muss.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine beliebige, in der drahtlosen Energieversorgungsverbindung aufgetretene Unregelmäßigkeit auf der Grundlage von Datenaustausch über die drahtlose Datenaustauschverbindung erkannt. Daher hängt die Reaktionszeit von der Antwortverzögerungszeit (Latenz) des Datenaustauschs zwischen der Energieübertragungseinheit 110 und der Energieempfangseinheit 150 über die drahtlose Datenaustauschverbindung ab. Insbesondere schließt die Reaktionszeit die Antwortverzögerungszeit ein, die während des Datenaustauschs zum Erkennen von Unregelmäßigkeiten vergeht, die Zeit, die zur Erkennung einer Unregelmäßigkeit auf der Grundlage gesendeter Daten erforderlich ist, die Zeit, die nach der Erkennung einer Unregelmäßigkeit zur Verringerung der Laserausgangsleistung unter einen vorgegebenen Wert erforderlich ist, und eine vorgegebene Zeittoleranz. Normalerweise überwiegt die Antwortverzögerungszeit des drahtlosen Datenaustausches.
Der unter diesen Bedingungen berechnete maximal zulässige Wert ist der maximal zulässige Wert der Ausgangsleistung, der gewährleistet, dass der Pegel der Aussendung, der während der Reaktionszeit abgegeben werden darf, unterhalb eines vorgegebenen Bezugswertes gemäß der Antwortverzögerungszeit liegt. Wenn der Laser mit einer Ausgangsleistung ausgesendet wird, die ab dem Zeitpunkt des Auftretens einer Unregelmäßigkeit bis zur Durchführung der Steuerung der Ausgangsleistung diesen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet, wird verhindert, dass der Laserstrahl das Hindernis mit einem Wert bestrahlt, der die Bestrahlungsnorm überschreitet, oder dass der Laserstrahl außerhalb des Strahlengangs abgegeben wird, selbst wenn bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist. Der maximal zulässige Wert kann erhöht werden, wenn sich die Reaktionszeit verkürzt, um die Versorgung mit Energie mit einer höheren Ausgangsleistung zu ermöglichen.
Bei der Antwortverzögerungszeit kann die Zeit gemessen werden, die zum Senden von Daten einer bekannten Länge (zum Beispiel Messdaten) erforderlich ist, die Datenübertragungsgeschwindigkeit kann auf der Grundlage der erforderlichen Zeit berechnet werden, und die Antwortverzögerungszeit kann auf der Grundlage der Datenübertragungsgeschwindigkeit ausgewertet werden. Die auf diese Weise ausgewertete Antwortverzögerungszeit hängt von dem bei der Erkennung von Unregelmäßigkeiten verwendeten Datenaustauschverfahren ab, aber es können auch die Umlauflatenz oder Einweglatenz verwendet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der maximal zulässige Wert mithilfe einer vorgegebenen Gleichung aus der Antwortverzögerungszeit oder Datenübertragungsgeschwindigkeit berechnet werden, oder kann durch Verweisen auf eine Tabelle erhalten werden, in der Antwortverzögerungszeiten oder Datenübertragungsgeschwindigkeiten mit zugehörigen maximalen zulässigen Werten aufgeführt sind.
Bei einem feststehenden Verhältnis der relativen Positionen von Energieübertragungseinheit 110 und Energieempfangseinheit 150 können die Auswertung der Antwortverzögerungszeit und die Berechnung des maximal zulässigen Wertes normalerweise einmal durchgeführt werden, bevor eine drahtlose Energieversorgungsverbindung aufgebaut und Energie zugeführt wird. Bei einem veränderlichen Verhältnis der relativen Positionen können die Auswertung der Antwortverzögerungszeit und die Berechnung des maximal zulässigen Wertes auf der Grundlage der ausgewerteten Antwortverzögerungszeit jedoch mit einer geeigneten Häufigkeit wiederholt werden. In dieser Situation kann mittels Datenaustausch die Datenübertragungsgeschwindigkeit zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten gemessen und der letzte berechnete maximal zulässige Wert verwendet werden.
Die Laserausgangssteuereinheit 124 dient zur Steuerung des Betriebs der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung und steuert den Laserausgang auf der Grundlage des maximal zulässigen Wertes für den Laserausgang, der durch die Berechnungseinheit 122 für die maximale Ausgangsleistung berechnet wurde, sodass der maximal zulässige Wert nicht überschritten wird. Die Laserausgangssteuereinheit 124 kann den Laserausgang stufenweise von null bis zum maximal zulässigen Wert erhöhen und gleichzeitig die Menge der am Energieempfangsende empfangenen Energie auf der Grundlage von Datenaustausch über die drahtlose Datenaustauschverbindung bestätigen.
Die Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung ist als Energieübertragungseinheit gestaltet, die unter der Steuerung der Laserausgangssteuereinheit 124 den Laser mit einer Ausgangsleistung, die den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet, aussendet und Energie zur Laser-Energieempfangseinheit 150 überträgt. Für das Verfahren zur Steuerung des Laserausgangs gelten keine besonderen Einschränkungen.
3 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Steuerung des Laserausgangs. Wie in der linken Spalte der in 3 dargestellten Tabelle gezeigt, kann bei kontinuierlicher Laseraussendung die Leistung der Laseraussendung unter Nutzung der Photonendichte erhöht oder verringert werden. Wie in der mittleren und rechten Spalte der in 3 dargestellten Tabelle gezeigt, kann bei der Aussendung von Laserimpulsen die Leistung der Laseraussendung unter Nutzung der Impulsbreite (Tastverhältnis) in einer vorgegebenen Impulsphase erhöht oder verringert werden, oder sie kann unter Nutzung der Impulsphase oder Impulsfrequenz (Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit) erhöht oder verringert werden.
Die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 kann den Zustand der drahtlosen Energieübertragungsverbindung überwachen und das Auftreten einer Unregelmäßigkeit auf der Grundlage von Datenaustausch mit der Laser-Energieempfangseinheit 150 über die drahtlose Datenaustauschverbindung erkennen. Eine Unregelmäßigkeit kann erkannt werden, indem der Umwandlungswirkungsgrad sowohl der Einheit 110 als auch 150 berücksichtigt und die Menge der Energie (Elektroenergie), die durch die Laser-Energieübertragungseinheit 110 übertragen wurde, und die Menge der Energie (Elektroenergie) verglichen werden, die durch die Laser-Empfangseinheit 150 empfangen wurde.
Wenn die Differenz oder das Verhältnis zwischen der ausgesendeten Energie, die durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 empfangen wurde (empfangene Energie/Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung) zur abgegebenen Energie, die durch die Laser-Energieübertragungseinheit 110 übertragen wurde (eingespeiste Energie × Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung, oder bekannte abgegebene Energie bei einem festgelegten Wert der Ausgangsleistung) außerhalb eines vorgegebenen Kriteriums liegt, wird ein Energieverlust aus Gründen angenommen, die nicht ignoriert werden können, und das Auftreten einer Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung kann ermittelt werden. Dieser Verlust tritt normalerweise infolge einer Blockierung des Strahlengangs durch ein Hindernis, einer Verunreinigung des Strahlengangs durch Rauch oder Staub, wodurch eine Streuung und diffuse Reflexion verursacht werden, einer Fehlausrichtung des Lasers oder einer Abnutzung oder eines Ausfalls des fotoelektrischen Umwandlungselements auf. Bei Auftreten einer derartigen Unregelmäßigkeit ist unter dem Gesichtspunkt der Handhabung das Begrenzen der Laserausgangsleistung bevorzugt.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform wird die Menge der empfangenen Energie durch den fotoelektrischen Wandler 162 für den Energieempfang erfasst, der in der Laser-Energieempfangseinheit 150 als Erfassungseinheit für die Menge der empfangenen Energie dient, und die erfasste Menge der empfangenen Energie wird durch die drahtlose Datenaustauscheinheit 160 der Laser-Energieübertragungseinheit 110 gemeldet. Die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 in der Laser-Energieübertragungseinheit 110 erfasst die Menge der von der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung gesendeten Energie und vergleicht die Menge der empfangenen Energie, die durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 gemeldet wurde, mit der erfassten Menge der gesendeten Energie, wobei der Umwandlungswirkungsgrad berücksichtigt wird. Wenn die Ergebnisse des Vergleichs anzeigen, dass das Auftreten eines Verlustes, der gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist.
Die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 kann außer dem Erkennen von Unregelmäßigkeiten bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung auch Unregelmäßigkeiten bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung erkennen, indem die Menge der empfangenen Energie mit der Menge der gesendeten Energie verglichen wird. Zu Unregelmäßigkeiten, die bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung auftreten können, gehören eine Unterbrechung in der drahtlosen Datenaustauschverbindung selbst, eine schnelle Abnahme des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) und schnelle Änderungen bei der Strahlrichtung einer adaptiv gesteuerten Antenne.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung unter Nutzung der drahtlosen Datenaustauschverbindung erkannt. Daher kann keine dieser Unregelmäßigkeiten die Erkennung von Unregelmäßigkeiten bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung behindern. Wenn die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 bei der vorliegenden Ausführungsform das Auftreten einer Unregelmäßigkeit bei mindestens einer der drahtlosen Datenaustauschverbindung und der drahtlosen Energieversorgungsverbindung erkannt hat, wird schnell ein Laserausgangsbegrenzungsbefehl, insbesondere ein Laserausgangsstoppbefehl an die Laserausgangssteuereinheit 124 ausgegeben.
Als Reaktion auf einen Befehl aufgrund der Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Energieversorgungsleitung oder drahtlosen Datenaustauschverbindung dient die Laserausgangssteuereinheit 124 als Ausgangssteuereinheit, um die von der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung ausgesendete Ausgangsleistung des Lasers unter einen Bezugswert zu verringern. Insbesondere reagiert die Laserausgangssteuereinheit 124 auf einen Laserausgangs-Stoppbefehl durch sofortiges Stoppen des Flusses von Betriebsstrom zum Laserelement in der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung, wodurch die Aussendung des Lasers gestoppt wird.
Das Folgende ist eine ausführliche Beschreibung der Operationen, die durchgeführt werden, wenn Energie in dem Laser-Energieversorgungssystem 100 zugeführt wird, das oben unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben ist. 4 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerelemente zeigt, die durch die Laser-Energieübertragungseinheit 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. 5 ist eine Darstellung, die das Verhältnis des Austauschs von Daten zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit 110 und der Laser-Energieempfangseinheit 150 sowie deren zeitliche Abläufe zur Laserausgangsleistung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die in 4 dargestellten Steuerelemente beginnen beispielsweise ab Schritt S100 als Reaktion darauf, dass ein Bediener die Laser-Energieübertragungseinheit 110 startet. In Schritt S101 tauscht die Laser-Energieübertragungseinheit 110 Ausrichtungs- und Kenndaten (Art des Energieübertragungslasers, Umwandlungswirkungsgrad usw.) der drahtlosen Datenaustauschverbindung und der drahtlosen Energieversorgungsverbindung mit der Laser-Energieempfangseinheit 150 aus. Der Ausrichtungsprozess wird nachstehend ausführlicher erläutert.
In Schritt S102 führt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 unter Nutzung der drahtlosen Datenaustauscheinheit 120 Datenaustausch durch und berechnet unter Nutzung der Berechnungseinheit 122 für die maximale Ausgangsleistung die Datenübertragungsgeschwindigkeit der drahtlosen Datenaustauschverbindung. In Schritt S103 wertet die Laser-Energieübertragungseinheit 110 auf der Grundlage der durch die Berechnungseinheit 122 für die maximale Leistung gemessenen Datenübertragungsgeschwindigkeit die beim Datenaustausch über die drahtlose Datenaustauschverbindung festgestellte Antwortverzögerungszeit aus. In Schritt S104 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Berechnungseinheit 122 für die maximale Leistung, um als Reaktion auf die ausgewertete Antwortverzögerungszeit den maximal zulässigen Wert der Laserausgangsleistung zu berechnen.
In Schritt S105 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die drahtlose Datenübertragungseinheit 120, um an die Laser-Energieempfangseinheit 150 (durch die schwarzen Quadrate in 5 gekennzeichnet) eine Bestätigung der drahtlosen Datenübertragungsverbindung auszugeben. Nach dem Empfangen der Verbindungsbestätigung gibt die Laser-Energieempfangseinheit 150 an die Laser-Energieübertragungseinheit 110 (durch die grauen Quadrate in 5 gekennzeichnet) eine drahtlose Datenaustauschverbindungsantwort aus. In Schritt S106 ermittelt die Laser-Energieübertragungseinheit 110, ob eine Verbindungsantwort auf die Verbindungsbestätigung erfolgte. Wenn in Schritt S106 festgestellt wurde, dass keine Verbindungsantwort erfolgte (NEIN), wird dies als Unregelmäßigkeit oder Fehler bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung behandelt, und der Steuerungsprozess wird in Schritt S113 beendet, ohne den Laserausgang zu starten.
Wenn in Schritt S106 festgestellt wurde, dass eine Verbindungsantwort erfolgte (JA), geht der Steuerungsprozess zu Schritt S107 über. In Schritt S107 setzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 den berechneten maximal zulässigen Wert und startet unter der Steuerung der Lasersteuereinheit 124 die Laseraussendung aus der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung ab dem Anfangswert.
In Schritt S108 empfängt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Menge der empfangenen Energie (durch die nummerierten Quadrate in 5 gekennzeichnet), die nach der Verbindungsantwort von der Laser-Energieempfangseinheit 150 unter Nutzung der drahtlosen Datenaustauscheinheit 120 übertragen wird. In Schritt S109 erfasst die Laser-Energieübertragungseinheit 110 von der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung die Menge der gesendeten Energie. In Schritt S110 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126, um zu ermitteln, ob bei mindestens einer der drahtlosen Energieversorgungsverbindung und der drahtlosen Datenübertragungsverbindung eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist. Wenn in Schritt S110 keine Unregelmäßigkeit ermittelt wurde (JA), geht der Steuerungsprozess zu Schritt S111 über.
In Schritt S111 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Laserausgangssteuereinheit 124, um die Laserausgangsleistung stufenweise innerhalb eines Bereiches zu erhöhen, der den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet, und der Steuerungsprozess kehrt zu Schritt S108 zurück 5 zeigt die Menge der empfangenen Energie, die kontinuierlich von der Laser-Energieempfangseinheit 150 zur Laser-Energieübertragungseinheit 110 übertragen wird, und die Laserausgangsleistung, die auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der Menge der empfangenen Energie und der Menge der gesendeten Energie stufenweise erhöht wird.
Wenn in Schritt S110 das Bestehen einer Unregelmäßigkeit festgestellt wurde (NEIN), verzweigt der Steuerungsprozess zu Schritt S112. Wenn keine Benachrichtigung über die Menge der empfangenen Energie empfangen wurde (eine Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung) oder der Verlust aus dem Vergleich der Menge der empfangenen Energie mit der Menge der gesendeten Energie einen vorgegebenen Bezugswert überschreitet (eine Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung), wird festgestellt, dass eine Unregelmäßigkeit vorliegt. Hierbei kann der Steuerungsprozess zu Schritt S112 verzweigen, selbst wenn ein ausdrücklicher Stoppbefehl vom Bediener vorliegt.
In Schritt S112 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Laserausgangssteuereinheit 124, um die Zufuhr von Ansteuerungsstrom zum Laserelement zu blockieren, um die Schwingung des Lasers zu stoppen, und beendet den Steuerungsprozess in Schritt S113.
5(A) zeigt den Verarbeitungsablauf von der Erkennung einer Unregelmäßigkeit, die aufgrund einer Unterbrechung bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung aufgetreten ist, bis zum Stoppen des Lasers. Wie in 5(A) dargestellt, tritt ein Verlust bei der ausgesendeten Energie ein, die durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 empfangen wird, wenn die drahtlose Energieversorgungsverbindung unterbrochen wurde, und die Laser-Energieübertragungseinheit 110 wird darüber benachrichtigt, dass die Menge der empfangenen Energie niedriger als erwartet ist. In dieser Situation kann die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die gemeldete Menge der empfangenen Energie mit der Menge der Energie vergleichen, die durch die Einheit selbst übertragen wurde, eine Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung erkennen und die Laseraussendung sofort stoppen.
5(B) zeigt den Verarbeitungsablauf von der Erkennung einer Unregelmäßigkeit, die aufgrund einer Fehlfunktion bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung aufgetreten ist, bis zum Stoppen des Lasers. Wie in 5(B) dargestellt, wird durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 die korrekte Menge der Energie empfangen, selbst wenn die drahtlose Datenaustauschverbindung unterbrochen ist, aber die Menge der empfangenen Energie wird nicht zur Laser-Energieübertragungseinheit 110 übertragen. In dieser Situation stellt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 fest, dass sie die Menge der empfangenen Energie nicht in einem vorgegebenen Zeitraum empfangen kann, kann feststellen, dass eine Unregelmäßigkeit bei der drahtlosen Datenaustauschverbindung vorliegt, und kann den Laserausgang sofort stoppen.
Bei der in 2 bis 5 dargestellten Ausführungsform wird die Menge der empfangenen Energie über die drahtlose Datenaustauschverbindung kontinuierlich von der Laser-Energieempfangseinheit 150 zur Laser-Energieübertragungseinheit 110 übertragen. Zu diesem Zeitpunkt besteht keine Notwendigkeit eines Datenaustauschs vom Sender zum Empfänger, um dem Sender die Menge der empfangenen Energie mitzuteilen. Daher kann bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Antwortverzögerungszeit, die bei der Berechnung des maximal zulässigen Wertes ausgewertet wurde, die Einweglatenz von der Laser-Energieempfangseinheit 150 zur Laser-Energieübertragungseinheit 110 nutzen. Bei der in 2 bis 5 dargestellten Ausführungsform ist dies unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Reaktionszeit bevorzugt, da der Datenaustausch über eine Einwegverbindung durchgeführt wird.
Nach der Verbindungsbestätigung muss die Laser-Energieübertragungseinheit 110 keine Daten mehr übertragen, um eine Unregelmäßigkeit zu erkennen. Nach der Verbindungsbestätigung kann daher die Verbindung in der Senderichtung durch die drahtlose Datenaustauscheinheit 120 gestoppt werden, um Energie zu sparen. Bei einer Ausführungsform ohne die anfängliche Verbindungsbestätigung kann eine Verbindung in der Senderichtung von der drahtlosen Datenübertragungseinheit 120 aus vollständig gelöscht werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform empfing die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Menge der empfangenen Energie über die drahtlose Datenaustauschverbindung, um eine Unregelmäßigkeit zu erkennen. Das Verfahren zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten ist jedoch nicht auf das oben beschriebene Beispiel beschränkt. Das Folgende ist eine Erläuterung einer weiteren Ausführungsform, bei der die Erkennung von Unregelmäßigkeiten durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 durchgeführt wird, wobei Bezug auf 6 und 7 genommen wird.
6 ist eine Darstellung, die die Funktionsblöcke und den Datenfluss bei einer Laser-Energieübertragungseinheit 110 und einer Laser-Energieempfangseinheit 150 in einem Laser-Energieversorgungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Konfigurationselemente, die mit denen bei der Ausführungsform identisch sind, die in 2 dargestellt ist, sind mit denselben Nummern bezeichnet. Die folgende Erläuterung konzentriert sich auf die Stellen, an denen Unterschiede vorliegen.
Die in 6 dargestellte Laser-Energieübertragungseinheit 110 weist eine drahtlose Datenaustauscheinheit 120, eine Berechnungseinheit 122 für die maximale Ausgangsleistung, eine Laserausgangssteuereinheit 124, eine Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 und eine Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung auf. Außer einer drahtlosen Datenaustauscheinheit 160 und einem fotoelektrischen Wandler 162 für den Energieempfang weist die in 6 dargestellte Laser-Energieempfangseinheit 150 eine Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 164 auf. Die drahtlosen Datenaustauscheinheiten 120 und 160, die Berechnungseinheit 122 für die maximale Ausgangsleistung, die Laserausgangssteuereinheit 124, die Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung und der fotoelektrische Wandler 162 für den Energieempfang haben dieselben Rollen wie dieselben Konfigurationselemente bei der unter Bezugnahme auf die in 2 beschriebenen Ausführungsform.
Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform überwacht die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 in der Laser-Energieübertragungseinheit 110 den Zustand der drahtlosen Energieübertragungsverbindung und erkennt das Auftreten von Unregelmäßigkeiten auf der Grundlage von Datenaustausch mit der Laser-Energieempfangseinheit 150 über die drahtlose Datenaustauschverbindung. Bei der in 6 beschriebenen Ausführungsform werden Unregelmäßigkeiten bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung jedoch mithilfe eines Verfahrens erkannt, dass sich von dem Verfahren der Ausführungsform unterscheidet, die in 2 dargestellt ist.
Zunächst erfasst die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Menge der von der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung übertragenen Energie und sendet die erfasste Menge der gesendeten Energie über die drahtlose Datenübertragungseinheit 120 an die Laser-Energieempfangseinheit 150. Die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 164 in der Laser-Energieempfangseinheit 150 vergleicht die Menge der empfangenen Energie, die vom fotoelektrischen Wandler 162 für den Energieempfang erfasst wurde, mit der Menge der übertragenen Energie, die durch die Laser-Energieübertragungseinheit 110 gemeldet wurde, um aus den Ergebnissen zu ermitteln, ob der Verlust gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
Wenn der Verlust gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist. In dieser Situation meldet die Laser-Energieempfangseinheit 150 über die drahtlose Datenaustauscheinheit 160 das Auftreten einer Unregelmäßigkeit an die Laser-Energieübertragungseinheit 110. Die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit 126 in der Laser-Energieübertragungseinheit 110 empfängt von der Laser-Energieempfangseinheit die Meldung über eine Unregelmäßigkeit und stellt fest, dass bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist.
7 ist ein Schema, das das Verhältnis des Austauschs von Daten zwischen der Laser-Energieübertragungseinheit 110 und der Laser-Energieempfangseinheit 150 sowie dessen zeitlicher Abläufe zur Laserausgangsleistung bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Zunächst nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Datenübertragungseinheit 120, um an die Laser-Energieempfangseinheit 150 (durch die schwarzen Quadrate in 7 gekennzeichnet) eine Bestätigung der drahtlosen Datenaustauschverbindung auszugeben. Nachdem die Verbindungsbestätigung empfangen wurde, gibt die Laser-Energieempfangseinheit 150 an die Laser-Energieübertragungseinheit 110 (durch die grauen Quadrate in 7 gekennzeichnet) eine drahtlose Datenaustauschverbindungsantwort aus. Nachdem die Verbindungsantwort empfangen wurde, beginnt die Laser-Energieübertragungseinheit 110, die Menge der gesendeten Energie an die Laser-Energieempfangseinheit 150 (durch die nummerierten Quadrate in 7 gekennzeichnet) zu senden.
Die Laser-Energieempfangseinheit 150 empfängt die Benachrichtigung über die Menge der von der Laser-Energieübertragungseinheit 110 gesendeten Energie, vergleicht die empfangene Menge der gesendeten Energie mit der tatsächlichen Menge der empfangenen Energie, um zu ermitteln, ob die Energie entsprechend übertragen wurde, und gibt die Ergebnisse der Ermittlung an die Laser-Energieübertragungseinheit 110 zurück. Wenn die Ermittlungsergebnisse empfangen werden, die anzeigen, dass die Energie entsprechend übertragen wurde, nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Laserausgangssteuereinheit 124, um die Laserausgangsleistung stufenweise innerhalb eines Bereiches zu erhöhen, der den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet.
7 zeigt außerdem den Verarbeitungsablauf von der Erkennung einer Unregelmäßigkeit, die aufgrund einer Unterbrechung bei der drahtlosen Energieversorgungsverbindung aufgetreten ist, bis zum Stoppen des Lasers. Wie in 7 dargestellt, tritt ein Verlust bei der ausgesendeten Energie ein, die durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 empfangen wird, wenn die drahtlose Energieversorgungsverbindung unterbrochen wurde, und die Menge der empfangenen Energie, beruhend auf der gemeldeten Menge der gesendeten Energie, niedriger als erwartet ist. Wenn die Laser-Energieempfangseinheit 150 das Auftreten einer Unregelmäßigkeit erkannt hat, wird der Laser-Energieübertragungseinheit 110 das Auftreten einer Unregelmäßigkeit gemeldet. Auf der Grundlage dieser Meldung erkennt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 eine Unregelmäßigkeit und kann sofort die Laseraussendung stoppen.
Bei der oben beschriebenen anderen Ausführungsform wird die Menge der gesendeten Energie kontinuierlich über die drahtlose Datenaustauschverbindung von der Laser-Energieübertragungseinheit 110 zur Laser-Energieempfangseinheit 150 übertragen. Die Ermittlungsergebnisse werden durch die Laser-Energieempfangseinheit 150 über die drahtlose Datenaustauschverbindung zur Laser-Energieübertragungseinheit 110 gemeldet. Zu diesem Zeitpunkt liegt ein Zwei-Wege-Datenaustausch vor, um dem Sender die Erkennung von Unregelmäßigkeiten zu ermöglichen. Daher kann die Antwortverzögerungszeit, die bei der Berechnung des maximal zulässigen Wertes ausgewertet wird, die Umlauflatenz nutzen.
Das Folgende ist eine ausführliche Beschreibung der Ausrichtung der drahtlosen Datenaustauschverbindung und der drahtlosen Energieversorgungsverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit 110 und der Energieempfangseinheit 150, wobei Bezug auf 8 und 9 genommen wird. 8 ist ein Funktionsblockschema, das die Ausrichtung der drahtlosen Datenaustauschverbindung und der drahtlosen Energieversorgungsverbindung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft.
Wie in 8 dargestellt, weist die Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung eine Einheit 130 für die anfängliche Ausrichtung und eine Einheit 132 für die anschließende Ausrichtung auf. Die Einheit 130 für die anfängliche Ausrichtung führt über den Aufbau einer drahtlosen Datenaustauschverbindung zwischen den drahtlosen Datenaustauscheinheiten 120 und 160 eine Grobausrichtung der drahtlosen Energieversorgungsverbindung durch. Die Einheit 132 für die anschließende Ausrichtung führt danach auf der Grundlage der Ergebnisse der Grobanpassungen, die durch die Einheit 130 für die anfängliche Ausrichtung durchgeführt wurden, und von Rückmeldungen von der Laser-Energieempfangseinheit 150 über die drahtlose Datenaustauschverbindung Feinanpassungen an der Ausrichtung der drahtlosen Energieversorgungsverbindung durch.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Datenaustauscheinheiten 120 und 160 mit einer Strahlformungsantenne wie zum Beispiel der oben erwähnten aktiven Gruppenantenne ausgerüstet sein. Eine Strahlformungsantenne weist eine Vielzahl von Antennenelementen auf. In jedes Antennenelement werden Signale unterschiedlicher Phase eingespeist, und die Antenne kann die Richtungsabhängigkeit des Strahls steuern, indem die Signale im Raum synthetisch zusammengesetzt werden. Bei Verwendung einer Strahlformungsantenne kann die Richtung des Strahls unter Nutzung einer Phasensteuerung elektronisch geändert werden. Für die Art, in der die Strahlformung realisiert ist, gelten keine besonderen Einschränkungen. Sie kann unter Nutzung des Hochfrequenz-Frontends (HF-Frontend) oder der digitalen Signalverarbeitung realisiert sein.
Da die Richtungsabhängigkeit der drahtlosen Datenaustauschverbindung durch Strahlformung über den Aufbau einer drahtlosen Datenaustauschverbindung optimiert wird, werden Ausrichtungsdaten (Phasendaten) erhalten, die die Richtungsabhängigkeit definieren. Die Einheit 130 für die anfängliche Ausrichtung erfasst diese Ausrichtungsdaten von der drahtlosen Datenaustauscheinheit 120 und ermittelt auf der Grundlage der erfassten Ausrichtungsdaten den Anfangswert der Laseraussendung. Auf diese Weise kann die anschließende Ausrichtung von einem Zustand aus gestartet werden, in dem die Richtung der Laseraussendung grob angepasst wurde.
Nach der anfänglichen Ausrichtung sendet die Laser-Energieübertragungseinheit 110 den Laser von der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung aus. Die Laser-Energieempfangseinheit 150 empfängt unter Nutzung des fotoelektrischen Wandlers 162 die Laseraussendung und sendet unter Nutzung der drahtlosen Datenaustauscheinheit 160 die Menge der empfangenen Energie als Rückmeldung an die Laser-Energieübertragungseinheit 110. Die Einheit 132 für die anschließende Ausrichtung optimiert auf der Grundlage der Rückmeldung über die Menge der empfangenen Energie die Richtung der Laseraussendung in einer Richtung, die die Menge der empfangenen Energie verbessert.
Normalerweise wird die Richtung der Laseraussendung bestimmt, indem die Richtung eines außerhalb des Laserelements installierten Reflexionsspiegels mechanisch gesteuert und der durch das Laserelement ausgesendete Strahl mithilfe des Reflexionsspiegels abgelenkt wird. Anstelle externer Optiken kann eine Halbleiterschicht verwendet werden, in der die Strahlaustrittsrichtung durch einen Laserresonator mithilfe eines photonischen Kristalls gesteuert werden kann.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Ausrichtungssteuerelemente zeigt, die durch die Laser-Energieübertragungseinheit 110 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Die in 9 dargestellte Verarbeitung beginnt ab Schritt S200 als Reaktion auf den Aufruf in Schritt S101, der in 4 dargestellt ist. In Schritt S201 baut die Laser-Energieübertragungseinheit 110 mithilfe der Strahlformung eine drahtlose Datenaustauschverbindung mit der Laser-Energieempfangseinheit 150 auf. Bei der hier erläuterten Ausführungsform wird die drahtlose Datenaustauschverbindung vor der Zufuhr von Energie aufgebaut. Die Energie, die von der Laser-Energieempfangseinheit 150 vor der drahtlosen Zufuhr von Energie benötigt wird, kann aus anderen geeigneten Mitteln wie zum Beispiel einer Sekundärbatterie entnommen werden, die zuvor durch die Zufuhr drahtloser Energie geladen wurde, oder durch eine Primärbatterie, die in der Laser-Energieempfangseinheit 150 installiert ist.
In Schritt S202 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Einheit 130 für die anfängliche Ausrichtung, um die drahtlose Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage von Ausrichtungsdaten grob auszurichten, die im Ergebnis der Strahlformung erhalten wurden. In Schritt S203 startet die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Aussendung des Lasers von der Laseraussendeeinheit 128 für die Energieübertragung.
In Schritt S204 nutzt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die drahtlose Datenübertragungseinheit 120, um die Menge der Energie zu empfangen, die über die drahtlose Datenaustauschverbindung von der Laser-Energieempfangseinheit 150 empfangen wurde. In Schritt S205 wird die Einheit 132 für die anschließende Ausrichtung genutzt, um zu ermitteln, ob vorgegebene Übereinstimmungsbedingungen eingehalten werden. Hierbei werden die Übereinstimmungsbedingungen genutzt, um die Aussenderichtung zu ermitteln, die die maximale Menge der empfangenen Energie ermöglicht, und um den Prozess zu beenden.
Wenn in Schritt S205 festgestellt wurde, dass bei der Menge der empfangenen Energie keine Übereinstimmung vorlag (NEIN), verzweigt der Steuerungsprozess zu Schritt S206. In Schritt S206 passt die Laser-Energieübertragungseinheit 110 die Richtung der Laseraussendung an, indem der Neigungswinkel des Reflexionsspiegels in zwei Achsen angepasst wird, und der Steuerungsprozess kehrt zu Schritt S204 zurück. Wenn in Schritt S205 festgestellt wurde, dass bei der Menge der empfangenen Energie Übereinstimmung vorlag (JA), verzweigt der Steuerungsprozess zu Schritt S207, der Prozess wird beendet, und das System kehrt zum ursprünglichen Steuerungsprozess zurück, der in 4 dargestellt ist. Infolgedessen wird die Ausrichtung der drahtlosen Datenaustauschverbindung und der drahtlosen Energieversorgungsverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit 110 und der Energieempfangseinheit 150 beendet.
11 ist eine Darstellung, die die Ausrichtung der Laseraussendung nach dem Stand der Technik erläutert. Ein Laserstrahl weist üblicherweise einen Punktdurchmesser von mehreren Dutzend Mikrometern oder weniger auf. Ein Laserstrahl, der von einer Laser-Energieübertragungseinheit 500 mit hoher Richtungsabhängigkeit ausgesendet wird, ist durch die Laser-Energieempfangseinheit 510 schwer zu überwachen und die Ausrichtung darauf schwer herbeizuführen. Bei dem in 11 dargestellten Stand der Technik ist eine Reflexionsplatte 512 mit einer vorgegebenen Breite an der Laser-Energieempfangseinheit 510 installiert, und der durch die Reflexionsplatte 512 reflektierte Laserstrahl wird mithilfe einer Bildgebungseinheit 502 überwacht und fein angepasst, die in der Laser-Energieübertragungseinheit 500 installiert ist.
Daher muss die Position des Strahlpunkts 524, der in einem Bild 520 an der Bildgebungseinheit 502 überwacht wird, mithilfe von Bildverarbeitung erkannt werden, während die Richtung der Laseraussendung angepasst wird, sodass sich der Strahlpunkt innerhalb der Lichtempfangsregion 522 der Laser-Energieempfangseinheit 510 befindet. Dieser Prozess ist ressourcenintensiv und erfordert eine Reflexionsplatte, wodurch die Instrumentierungskosten ansteigen.
Im Gegensatz hierzu wird die Grobausrichtung bei den oben beschriebenen Ausführungsformen über Strahlformung mithilfe der oben beschriebenen drahtlosen Datenaustauschverbindung durchgeführt, um den Strahlpunkt grob in die Lichtempfangsregion einzupassen. Nach Abschluss der Grobausrichtung führt die Energieübertragungseinheit 110 Feinanpassungen durch, indem über die drahtlose Datenaustauschverbindung Rückmeldungen über die tatsächliche Menge der durch die Energieempfangseinheit 150 empfangenen Energie empfangen werden. Infolgedessen werden die Reflexionsplatte 512, Bildgebungseinheit 502 und ein Bildverarbeitungs-IC nicht benötigt, wodurch beliebige Steigerungen der Instrumentierungskosten gering gehalten werden.
Das Folgende ist unter Bezugnahme auf 10 eine Erläuterung der Energie, die mithilfe einer Konfiguration zugeführt werden kann, bei der Unregelmäßigkeiten auf der Grundlage des oben beschriebenen Datenaustauschs für die drahtlose Datenaustauschverbindung erkannt werden und der Laserausgang der drahtlosen Energieversorgungsverbindung als Reaktion auf das Auftreten einer Unregelmäßigkeit gesteuert wird.
Wie oben beschrieben kann die Reaktionszeit (Umlaufzeit) (turnaround time, TAT) vom Auftreten einer Unregelmäßigkeit bis zur Verringerung der Laserausgangsleistung in dem Ausmaß verkürzt werden, in dem die Antwortverzögerungszeit der drahtlosen Datenaustauschverbindung verkürzt wird. Daher kann eine Laseraussendung mit einer höheren Ausgangsleistung unter Bedingungen, die den Bestrahlungsstandards entsprechen, in dem Ausmaß erreicht werden, in dem die Antwortverzögerungszeit verkürzt wird. 10 ist eine Grafik, in der die Gesamtenergiezufuhr (W), die der Klasse 1 der Sicherheitsnormen gemäß JIS C 6802 entspricht, in Bezug auf die Aussendedauer (s) aufgezeichnet ist. In der folgenden Erläuterung wird insbesondere die Klasse 1 verwendet, wobei dies jedoch lediglich der Veranschaulichung dient. In Bezug auf die Klasse gelten keine Einschränkungen.
Gemäß Anhang I (Exposure Limits Related to Class 1 Laser Devices) der „Measures For Preventing Damage Due to Laser Beams”, veröffentlicht vom Japan Advanced Information Center of Safety and Health (http://anzeninfo.mhlw.go.jp/anzen/hor/hombun/hor1-29/hor1-29-16-1-0.htm), beträgt der Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) in der Klasse 1 bei einer Aussendedauer von t > 10^–9 s und einer Wellenlänge von 200 bis 302 nm 2,4 × 10^–5 J. Wenn die Reaktionszeit (TAT) bis zu dem Punkt, an dem die Laseraussendung gestoppt wird, T [s] ist, wird dieses T [s] zur Aussendedauer. Da der obere Grenzwert der Aussendedauer T [s] 2,4 × 10^–5 J beträgt, beträgt während T [s] die ausgesendete Energie (ausgesendete Ausgangsleistung) pro Sekunde 2,4 × 10^–5/T [W]. Aus 10 ist ersichtlich, dass sich unter Bedingungen, die Bestrahlungsnormen entsprechen, die Menge der zugeführten Energie mit abnehmender Reaktionszeit T erhöht.
Wie in 10 dargestellt, reicht die TAT bei WLAN-Datenaustausch in den Frequenzbändern 2,4 GHz und 5 GHz gemäß IEEE 802.11 (IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.) von 1,0 × 10^–4 bis 1,0 × 10^–3 s. In diesen Frequenzbändern ist die Richtungsabhängigkeit begrenzt und die TAT erhöht sich, da die Latenz aufgrund des CSMA/CD-Verfahrens (CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) zunimmt. Beim CSMA/CD-Verfahren nimmt der Wirkungsgrad mit zunehmender Anzahl angeschlossener Clients erheblich ab. Bei einer in der Praxis realisierten Umgebung liegt die TAT eines WLAN im Bereich von mehreren Dutzend ms. Daher beträgt der den Normen der Klasse 1 entsprechende Grenzwert bei Verwendung einer WLAN-Datenaustauschverbindung bei einer in der Praxis realisierten Umgebung 1 mW.
Millimeterwellen weisen eine Frequenz von 30 bis 300 GHz auf, und beim drahtlosen Millimeterwellen-Datenaustausch wird normalerweise das 60-GHz-Frequenzband verwendet. Elektromagnetische Wellen in diesen Frequenzbereichen weisen jedoch eine hohe Richtungsabhängigkeit auf und können eine direkte Verbindung bilden, wodurch die Antwortverzögerungszeit nach dem Aufbau der Verbindung abnimmt. Außerdem weist drahtloser Millimeterwellen-Datenaustausch, bei dem eine direkte Verbindung gebildet wird, eine kürzere TAT als WLAN-Datenaustausch auf, bei dem das oben beschriebene CSMA/CD-Verfahren verwendet wird, und das Verfahren verursacht keine Zunahme der Latenz.
Wie in 10 dargestellt, kann die Millimeterwellen-TAT im Bereich von 1,0 × 10^–6 [s] liegen. Daher kann die Zufuhr einer Energie von ca. 10 W auch gemäß den Normen der Klasse 1 angenommen werden. Wenn Energie im Wattbereich zugeführt werden könnte, könnte dem Leistungsaufnahmebedarf verschiedener Verbraucher Rechnung getragen werden, und der Bereich von Einheiten, die eine drahtlose Energieversorgung nutzen, könnte erweitert werden. Durch die Nutzung des kürzlich entwickelten drahtlosen Millimeterwellen-Datenaustauschs oder Terahertzwellen-Datenaustauschs in einem höheren Frequenzband als dem gegenwärtig verwendeten (auf einer Frequenz von 100 GHz bis 10 THz) kann die TAT der Antwortzeiten weiter verringert werden, und die Zufuhr von Energie bei noch höheren Ausgangsleistungen kann angenommen werden.
Da beim drahtlosen Millimeterwellen-Datenaustausch eine direkte Verbindung gebildet wird und die drahtlose Datenaustauschverbindung zwischen drahtlosen Stationen kontinuierlich aufrechterhalten werden kann, ist es vorteilhaft, die oben beschriebene Antwortverzögerungszeit während der Laseraussendung stabil zu halten. Außerdem wird beim drahtlosen Millimeterwellen-Datenaustausch die Richtungsabhängigkeit mit der Station am anderen Ende der direkten Verbindung mithilfe der Strahlformung optimiert, und die Antwortverzögerungszeit wird kontinuierlich optimiert. Da Millimeterwellen eine größere Richtungsabhängigkeit als elektromagnetische Wellen mit einer langen Wellenlänge aufweisen, ist die Durchführung des oben beschriebenen Ausrichtungsprozesses unter Verwendung der Strahlformung mit größeren Vorteilen verbunden.
Bei den oben erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit, ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren bereitgestellt werden, die Energie über die Aussendung elektromagnetischer Wellen übertragen können und gleichzeitig Normen zur Bestrahlung einhalten, die wahrscheinlich auftritt, sobald eine Unregelmäßigkeit auftritt. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können außerdem die Ausgangsleistung der Energieübertragung über die Aussendung elektromagnetischer Wellen erhöhen und gleichzeitig Normen zur Bestrahlung einhalten, die wahrscheinlich auftritt, sobald eine Unregelmäßigkeit auftritt.
Die Konfiguration der oben beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht die Beseitigung des Energiekabels (des „letzten Kabels”) zwischen einer handelsüblichen Energiequelle und einer Energieempfangseinheit. Die Energieempfangseinheit kann eine beliebige Einheit sein, die eine Energiezufuhr über die Aussendung elektromagnetischer Wellen empfangen und die empfangene Energie einem Verbraucher zuführen kann. Zu bevorzugten Beispielen von Energieempfangseinheiten gehören elektronische Einheiten, bei denen die Kosten für die Installation einer Landleitung hoch sind, zum Beispiel Projektoren und Überwachungskameras, die in großer Höhe installiert sind und Zugangspunkte für den drahtlosen Millimeterwellen-Datenaustausch sein können. Da aus der drahtlosen Energiezufuhr unter Verwendung des Magnetfeldresonanzverfahrens auf die Zufuhr großer Mengen von Energie geschlossen werden kann, können diese Energieempfangseinheiten außerdem Einheiten sein, die eine große Energiemenge verbrauchen, zum Beispiel Personal Computer, Tablet-Computer und Mobiltelefone. Weiterleitungseinheiten können außerdem so gestaltet sein, dass sie drahtlosen Datenaustausch und die drahtlose Zufuhr von Energie weiterleiten. Diese Einheiten weisen die Konfiguration von sowohl Energieempfangseinheiten als auch Energieübertragungseinheiten auf.
Einige oder alle dieser Funktionskomponenten können in einer programmierbaren Einheit (programmable device, PD) wie zum Beispiel einer FPGA-Einheit (FPGA = Field-Programmable Gate Array) installiert oder in eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) integriert sein, und die Konfigurationsdaten der Schaltung (Bitstromdaten) können auf die programmierbare Einheit heruntergeladen werden, sodass die Funktionskomponenten auf der programmierbaren Einheit realisiert werden können und Daten in HDL (Hardware Description Language), VHDL (VHSIC (Very High-Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language) und Verilog-HDL usw. geschrieben sein können, um die Konfigurationsdaten der Schaltungen zu erzeugen, die über ein Speichermedium verteilt werden können.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) und der Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) als Beispiel erläutert. Für die Bestrahlungsnormen gelten keine besonderen Einschränkungen. Die Bestrahlungsnormen schließen beliebige Arten der Bestrahlung ein. Außer der Bestrahlung des menschlichen Körpers mit elektromagnetischen Wellen können die Bestrahlungsnormen die Bestrahlung von Tieren und Gegenständen mit elektromagnetischen Wellen einschließen. Bei den Bestrahlungsnormen kann es sich auch um Normen handeln, die die tolerierbare Bestrahlungsmenge oder die empfohlene Bestrahlungsmenge als Obergrenze für beliebige dieser Bestrahlungsarten definieren.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Ausführungsformen erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die oben erläuterten Ausführungsformen beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann in einer beliebigen Art abgeändert werden, die für einen Fachmann vorstellbar ist, einschließlich anderer Ausführungsformen, Ergänzungen, Veränderungen und Löschungen. Beliebige Aspekte zur Realisierung der Aktionen und Auswirkungen der vorliegenden Erfindung liegen innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung
Bezugszeichenliste

100: Laser-Energieversorgungssystem
102: Energiequelle
110: Laser-Energieübertragungseinheit
112: Antenne
114: Laserelement
120: Drahtlose Datenaustauscheinheit
122: Einheit zur Berechnung der maximalen Ausgangsleistung
124: Laserausgangssteuereinheit
126: Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit
128: Laseraussendeeinheit für die Energieübertragung
130: Einheit für die anfängliche Ausrichtung
132: Einheit für die anschließende Ausrichtung
150: Laser-Energieempfangseinheit
152: Antenne
154: Fotoelektrisches Umwandlungselement
160: Drahtlose Datenaustauscheinheit
162: Fotoelektrischer Wandler für den Energieempfang
164: Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit
190: Verbraucher

Claims

Energieübertragungseinheit, die durch Aussenden elektromagnetischer Wellen Energie zu einer Energieempfangseinheit übertragen kann, wobei die Energieübertragungseinheit aufweist: eine Berechnungseinheit zum Berechnen des Maximalwertes für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen, der Bestrahlungsnormen entspricht, auf der Grundlage einer Antwortverzögerungszeit, die durch die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieempfangseinheit gemessen wurde; eine Energieübertragungseinheit zum Übertragen von Energie über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieempfangseinheit mit einer Ausgangsleistung, die den Maximalwert nicht überschreitet; eine Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit zum Erkennen von Unregelmäßigkeiten bei der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage von Datenaustausch mit der Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung; und eine Ausgangssteuereinheit zum Begrenzen der Ausgangsleistung auf der Grundlage der Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Aussendung elektromagnetischer Wellen eine Richtungsabhängigkeit aufweist, die Berechnungseinheit den Maximalwert für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen auf der Grundlage von Bedingungen berechnet, die verhindern, dass ein vorgegebener Bestrahlungswert überschritten wird, wenn elektromagnetische Wellen mit einem Maximalwert über einen Reaktionszeitraum hinweg ausgesendet werden, der mindestens die Antwortverzögerungszeit aufweist, und die Ausgangssteuereinheit die Aussende-Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen in der Energieversorgungsverbindung als Reaktion auf die Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung stoppt.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 2, wobei die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit das Auftreten einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung erkennt, indem die Menge der Energie, die durch die Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung empfangen wurde, mit der Menge der Energie verglichen wird, die durch die Energieübertragungseinheit übertragen wurde.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 2, wobei die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit das Auftreten einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung anhand einer Benachrichtigung über den Vergleich zwischen der Menge der durch die Energieübertragungseinheit übertragenen Energie und der Menge der durch die Energieempfangseinheit empfangenen Energie erkennt, die von der Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung empfangen wurde.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit außerdem eine beliebige Unregelmäßigkeit bei der Datenaustauschverbindung erkennt und die Ausgangssteuereinheit die Ausgangsleistung als Reaktion auf das Auftreten einer Unregelmäßigkeit bei mindestens entweder der Datenaustauschverbindung oder der Energieversorgungsverbindung begrenzt.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Berechnungseinheit die Antwortverzögerungszeit beim Datenaustausch über die Datenaustauschverbindung wiederholt auswertet und den Maximalwert auf der Grundlage der ausgewerteten Antwortverzögerungszeit berechnet und die Energieübertragungseinheit auf der Grundlage des neuesten berechneten Maximalwertes Energie über die Energieversorgungsverbindung überträgt.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Datenaustauschverbindung eine drahtlose Datenaustauschverbindung mit einer Richtungsabhängigkeit ist und die Energieübertragungseinheit eine Einheit für die anfängliche Ausrichtung zum Ausrichten der Energieversorgungsverbindung mithilfe des Aufbaus der drahtlosen Datenaustauschverbindung aufweist, und eine Einheit für die anschließende Ausrichtung zum Anpassen der Ausrichtung der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage der über die drahtlose Datenaustauschverbindung mitgeteilten Menge der Energie, die die Energieempfangseinheit über die Energieversorgungsverbindung empfangen hat.
Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Aussendung elektromagnetischer Wellen eine Laseraussendung ist und die Datenaustauschverbindung eine Millimeterwellen-Datenaustauschverbindung ist.
Energieempfangseinheit, die Elektroenergie empfangen kann, die von einer Energieübertragungseinheit durch Aussenden elektromagnetischer Wellen zugeführt wird, wobei die Energieempfangseinheit aufweist: eine Datenaustauscheinheit, die Daten austauschen kann, sodass die Antwortverzögerungszeit beim Datenaustausch über eine Datenaustauschverbindung zwischen der Energieempfangseinheit und der Energieübertragungseinheit ermittelt werden kann; eine Energieempfangseinheit zum Empfangen von Elektroenergie, die über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieübertragungseinheit mit einer Aussende-Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen zugeführt wird, die entsprechend der Antwortverzögerungszeit den Maximalwert nicht überschreitet, der Bestrahlungsnormen entspricht; und eine Erfassungseinheit für die Menge der empfangenen Energie zum Erfassen der durch die Energieempfangseinheit empfangenen Energie, um die Ausgangsleistung der Energieversorgungseinheit als Reaktion auf eine Unregelmäßigkeit zu begrenzen, die bei der Energieversorgungsverbindung auftritt.
Energieversorgungssystem, aufweisend eine Energieübertragungseinheit, die Energie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen übertragen kann, und eine Energieempfangseinheit, die Energie empfangen kann, die durch die Energieübertragungseinheit zugeführt wird, wobei das Energieversorgungssystem aufweist: eine Berechnungseinheit zum Berechnen des Maximalwertes für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen, der Bestrahlungsnormen entspricht, auf der Grundlage einer Antwortverzögerungszeit, die durch die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieempfangseinheit gemessen wurde; eine Energieübertragungseinheit in der Energieübertragungseinheit zum Übertragen von Energie über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieempfangseinheit mit einer Ausgangsleistung, die den Maximalwert nicht überschreitet; eine Unregelmäßigkeiten-Erkennungseinheit zum Erkennen von Unregelmäßigkeiten bei der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage von Datenaustausch mit der Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung; und eine Ausgangssteuereinheit in der Energieübertragungseinheit zum Begrenzen der Ausgangsleistung auf der Grundlage der Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung.
Energieversorgungssystem, ausgeführt zwischen einer Energieübertragungseinheit, die Energie durch Aussenden elektromagnetischer Wellen übertragen kann, und einer Energieempfangseinheit, die Energie empfangen kann, die durch die Energieübertragungseinheit zugeführt wird, wobei das Energieversorgungsverfahren die Schritte aufweist: Auswerten der Antwortverzögerungszeit beim Datenaustausch über die Datenaustauschverbindung zwischen der Energieempfangseinheit; Berechnen des Maximalwertes für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen, der Bestrahlungsnormen entspricht, auf der Grundlage der Antwortverzögerungszeit; und Veranlassen der Energieübertragungseinheit, Energie über eine Energieversorgungsverbindung mit der Energieempfangseinheit mit einer Ausgangsleistung zu übertragen, die den Maximalwert nicht überschreitet; wobei das Energieversorgungsverfahren ferner die Schritte aufweist: Erkennen einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage von Datenaustausch mit der Energieempfangseinheit über die Datenaustauschverbindung; und Veranlassen der Energieversorgungseinheit, die Ausgangsleistung auf der Grundlage der Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung zu begrenzen.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 11, wobei die Aussendung elektromagnetischer Wellen eine Richtungsabhängigkeit aufweist, der Berechnungsschritt das Berechnen des Maximalwertes für die ausgesendete Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen auf der Grundlage von Bedingungen aufweist, die verhindern, dass ein vorgegebener Bestrahlungswert überschritten wird, wenn elektromagnetische Wellen mit einem Maximalwert über einen Reaktionszeitraum hinweg ausgesendet werden, der mindestens die Antwortverzögerungszeit aufweist, und der Schritt zur Begrenzung der Ausgangsleistung das Veranlassen der Energieübertragungseinheit aufweist, die Aussende-Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen in der Energieversorgungsverbindung als Reaktion auf die Erkennung einer Unregelmäßigkeit bei der Energieversorgungsverbindung zu stoppen.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 12, wobei der Unregelmäßigkeiten-Erkennungsschritt ferner die Schritte aufweist des Veranlassens der Energieübertragungseinheit, über die Datenaustauschverbindung die Menge der durch die Energieempfangseinheit empfangenen Menge zu empfangen, und des Veranlassens der Energieübertragungseinheit, durch Vergleichen der Menge der empfangenen Energie mit der Menge der durch die Energieübertragungseinheit übertragenen Energie das Auftreten von Unregelmäßigkeiten bei der Energieversorgungsverbindung zu erkennen.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 12, wobei der Unregelmäßigkeiten-Erkennungsschritt ferner die Schritte aufweist des Veranlassens der Energieübertragungseinheit, über die Datenaustauscheinheit die Menge der Energie zu übertragen, die durch die Energieübertragungseinheit zur Energieempfangseinheit übertragen wurde, des Veranlassens der Energieempfangseinheit, auf der Grundlage eines Vergleichs der Menge der übertragenen Energie mit der Menge der durch die Energieempfangseinheit empfangenen Energie beliebige Unregelmäßigkeiten zu erkennen, die bei der Energieversorgungsverbindung auftreten, und des Veranlassens der Energieempfangseinheit, die Energieübertragungseinheit über beliebige erkannte Unregelmäßigkeiten zu benachrichtigen.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 11, wobei die Energieübertragungseinheit ferner den Schritt des Erkennens beliebiger Unregelmäßigkeiten bei der Datenaustauschverbindung aufweist und die Ausgangssteuereinheit als Reaktion auf das Auftreten einer Unregelmäßigkeit bei mindestens entweder der Datenaustauschverbindung oder der Energieversorgungsverbindung das Begrenzen der Aussende-Ausgangsleistung elektromagnetischer Wellen aufweist.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 11, wobei die Datenaustauschverbindung eine drahtlose Datenaustauschverbindung mit einer Richtungsabhängigkeit ist und das Energieversorgungsverfahren vor dem Energieübertragungsschritt ferner die Schritte aufweist: anfängliches Ausrichten der Energieversorgungsverbindung mithilfe des Aufbaus der drahtlosen Datenaustauschverbindung, und Anpassen der Ausrichtung der Energieversorgungsverbindung auf der Grundlage der über die drahtlose Datenaustauschverbindung mitgeteilten Menge der Energie, die die Energieempfangseinheit über die Energieversorgungsverbindung empfangen hat.