JP2003516099A - 増加出力電圧をもつワイヤレス電力伝送システム - Google Patents
増加出力電圧をもつワイヤレス電力伝送システムInfo
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Abstract
Description
の付加回路素子または要素の操作を可能とする電力を送信器から受信器へ伝送す
ることにある。
求がある。すなわち、このような回転部では確実な外部電力の供給が妨げられて
しまい、またバッテリーの使用はメンテナンスを最小限とするため避けるべきで
あるからである。このようなトランスポンダは、例えば、自動車のタイヤ圧の電
子制御に使用され、また、移動する品物の確認や、或いは万引き防止のための品
目保護システムとしても同様に使用される。
)や、或いは一定の搬送波をもつ電波を使用している。このようなシステムは、
例えばKlaus Finkenzeller, Hanser Verlag著「RFID-Handbuch (RFID Manual)」
に詳細に記述されている。
し、重いという点で不利である。 一方、電波方式では、自由空間における電磁場のインピーダンスとして定義さ
れた約377オームのインピーダンス(物理定数μ0のε0に対する比の平方根
から導出される)と、距離の自乗に依存する電力密度の低下により、検出器にお
いて利用可能な電圧を得るためには比較的高い伝送電力を要する。ところが、最
大許容伝送電力は通常行政による規制で制限されている。また、アンテナ経由後
のインピーダンス変換は、発生する損失(特に高周波数において)による制限内
でのみ可能である。一方において、高周波数の使用は、アンテナのサイズが小さ
く、アンテナの方向効果が改善され、そして広帯域の周波数スペクトルが利用で
きる点で望ましい。
較的長い距離に渡りアナログ測定値の応答を得ることをすでに可能としており、
工業的応用にも利用されている。
ものであり、これと比較されるデジタル回路に比して実質的に低い作動電圧しか
要求されない。一方、デジタル回路素子でも同様に作動するために要求される、
より高い作動電圧を得ることが望まれる。そして、これらの回路素子はCMOS
技術を用いており、概して非常に低い電流が要求されるため、本発明の目的は得
られる出力を一定に保持した状態において、最大に利用される電流消費における
提供電圧を増加することにある。 このような要素は変圧器としてよく知られているが、クロック発生器が発振す
るように刺激されないので、使用回路はある最小電圧から再び開始するようにし
か機能しない。一方、電波周波数は、クロック周波数としてはこの目的には一般
的に高すぎるので適当ではない。
該装置の機能を詳細に記述する。
通常のDC−DCコンバータのクロック周波数に相当する。受信器は、エネルギ
ー貯蔵素子等を備えた少なくとも一つのアンテナ供給回路およびコンバータクロ
ックのためのそのような供給検出器を備える。これにより、二種類の電圧が利用
できる。その一方は低電圧レベルの連続DC電圧で、他方は方形波電圧である。
後者は該連続DC電圧を増加させるためのDC−DCコンバータのクロックであ
る。
、送信器SE1の発生器G1により生成した伝送信号は、周波数f1で、回路S
1を介して周波数f2でパルス変調する。この変調周波数f2は方形波発生器G
2により順に生成される。伝送信号はその後、可能ならばさらに増幅をしてフィ
ルタを通した後に、アンテナA1から発せられる。
この検出器の出力として、変調周波数f2の間隔でパルスを生じるDC電圧が得
られる。本発明において特に特に好適な態様として、同じ信号が一方においてD
C−DCコンバータW1のクロックを与えるために使用され、他方においてその
DC供給電圧に使用される。これは、検出器の出力信号が、ダイオードを介して
減結合したバッファコンデンサC1により緩衝されることで達成され、パルス変
調により生じる伝送信号の休止時においても、コンバータに対して十分な電力が
得られる。
ドパスフィルタまたはハイパスフィルタが挿入され、一方、DC供給電圧は追加
ローパスフィルタ、特にリアクタを経由して減結合される。この手段は、コンバ
ータクロックに依存するコンバータの電流消費により起こされる望ましくない負
のフィードバック効果によるロスと同時に、減結合ダイオードのスイッチング時
間によるロスを減らし、または妨げる。
により増加され得る。これには、変圧器以外に、特に誘導性または容量性結合、
或いはその減結合によりクロック周波数に調節された発振回路が使用される。正
のフィードバックとして知られている適当な回路工学の手法により、信号レベル
はさらに増加され得る。
はパルス休止の間完全に出力しないのではなく、パルス変調を振幅変調に置き換
えて、単に減じた出力で送信してもよい。したがって、さらにエネルギーはパル
ス休止の間も同様に送信される。また、電波周波数スペクトルにおける隣接した
チャンネル間の干渉が減少する。
ールを介して受け取る。受信アンテナは二分線A10とA11を含み、信号はキ
ャパシタC100〜C103、ダイオードD100及びD101、抵抗R100
を含む検出器により復調される。2つのダイオードは受信信号のピーク−ピーク
間電圧を用いて電圧を2倍にする。C100は受信体からのアンテナのDC電圧
型の減結合を好適に与える。追加負荷インピーダンスとしてのR100により、
コンバータの適切な効率のために欠かせない険しいクロック信号のへりが得られ
る。
C104によりパルス変動を極力減じたDC電圧にも変換される。この電圧はD
C−DCコンバータに利用される。
ック信号を介してスイッチングトランジスタV100が閉じた状態となるので、
徐々に増加する電流がインダクタンスL100を流れる。したがって、バッファ
キャパシタC104は部分的に放電する。理想的には、C104が完全に放電す
る前の適当な時に、クロック信号は負荷インピーダンスR100に付加的に補助
されて低信号レベルに変わる。するとスイッチングトランジスタはインダクタン
スL100を流れる電流を急激に阻害し、自己インダクタンスによりインダクタ
ンスL100にダイオードD103と同相の高い正電圧パルスを発生させる。こ
の高電圧はキャパシタ104の残存電圧にさらに加算される。このパルスはダイ
オードD103を介してさらなるバッファキャパシタC105に貯蔵される。こ
のキャパシタにより、例えば論理回路を作動するために要求される増加出力電圧
が得られる。
なのは、発生したパルスのフィードバック、例えばL100の追加巻き線を介し
たスイッチングトランジスタV100のベースへのフィードバックである。
の休止の間隔はパルス変調により非常に小さくすることが無論可能である。した
がって、伝送信号の電力は高められる。この送信器で用いられる方形波変調信号
は高いパルス占有率をもつ。この型のDC−DCコンバータはそれゆえに本発明
の電力伝送に特に好適である。
ァキャパシタに存在する電圧においてブレークダウン作用を示す(Zダイオード
)、スイッチングトランジスタではない統合的な解決もあり得る。
パルス幅を送信器により動的に調整することもできる。特に、純粋な搬送信号を
あらかじめバッファキャパシタの初期充電のために発することができる。要求さ
れる作動電圧に達したときに、送信器へ負荷情報のフィードバックをすることも
、適当な逆チャンネルがこの目的のために利用できる場合に可能である。
た後、受信器において局在的に、さらにコンバータクロックを発生させ、負荷の
機能としてコンバータ出力電圧を制御することも可能である。このスイッチは逆
チャンネルを介して、例えばデジタルデータの流れとして送信器へ伝達され、受
信器へさらなる電力を伝送するために送信器をパルス作動から連続作動へスイッ
チさせることができる。
ことが特に好適である。これにより反射特性の変化を生じ、そのサイズを変えた
レーダ対象のようにして、付加された受信要素(アンテナ信号経路中の方向性結
合器やそこに繋げられた同期受信器)の手段により送信器で検出することができ
る。文献では、このタイプのデジタルデータ系列の再伝送は後方散乱変調(back
scatter modulation)として知られている。好適には、逆チャンネルの最適範囲
を得るために、連続作動の要求がパルス変調に同期される。代わりに、パルス変
調のクロックはデータクロックまたはコンピュータクロックとしても使用でき、
パルス占有率のみがスイッチングの後さらに増加する。
用され得る。これにより、完全なトランスポンダシステムが構築され、本発明は
減じられた伝送電力においてこれに非常に広範な幅を与え、このシステムはさら
にバッテリーを使用しないため極めて長寿命で環境に優しい。
Claims (10)
- 【請求項1】 少なくとも一つの高周波送信器と、少なくとも一つの高周波
受信器を含み、該送信器および受信器はそれぞれ少なくとも一つのアンテナにつ
ながれ、該受信器は伝送された高周波出力からその作動電力を得るワイヤレス電
力伝送装置またはシステム、特にトランスポンダを与えるシステムにおいて、 (1)前記高周波送信器は、DC−DCコンバータに適当な少なくとも一つのコ
ンバータクロックで変調され、 (2)前記受信器は、前記コンバータクロックを復調するための少なくとも一つ
の検出器を有し、 (3)前記受信器は、前記コンバータクロックを復調するための検出器と同一で
もよい少なくとも一つの回路または検出器を用いて、前記高周波から少なくとも
一つのDC−DCコンバータのためのDC作動電圧を発生させ、 (4)前記DC−DCコンバータは、伝送されたコンバータクロックを用いて、
さらなる回路素子または他の消費要素を作動させるための他のDC電圧を発生さ
せることを特徴とするワイヤレス電力伝送装置またはシステム。 - 【請求項2】 請求項1記載のシステムにおいて、用いられる変調がパルス
変調または振幅変調であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項3】 請求項1記載のシステムにおいて、DC−DCコンバータの
ためのDC作動電圧は、コンバータクロックと共に共通の回路または検出器から
得られ、 該共通の出力信号は少なくとも一つのローパスフィルタ、または少なくとも一
つのダイオード減結合、またはこれらの回路素子の結合による手段で処理され、
エネルギー貯蔵素子、特にバッファキャパシタにおいて緩衝されることを特徴と
するワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項4】 請求項1記載のシステムにおいて、DC−DCコンバータの
ためのコンバータクロックは、該DC−DCコンバータのためのDC作動電圧と
共に共通の回路または検出器から得られ、 該共通の出力信号は少なくとも一つのハイパスフィルタ、または少なくとも一
つのバンドパスフィルタ、またはこれらの回路素子の結合による手段で処理され
ることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項5】 請求項1記載のシステムにおいて、コンバータクロックの電
圧レベルは変圧器または共振回路の手段によるインピーダンス変換で増加される
ことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項6】 請求項1記載のシステムにおいて、誘導性スイッチコントロ
ーラまたは誘導性スイッチコンバータがDC−DCコンバータに用いられ、 該誘導性スイッチコントローラまたは誘導性スイッチコンバータは、コンバー
タクロックにより制御される少なくとも一つの電子スイッチ、特にトランジスタ
により、スイッチ電流を少なくとも一つのインダクタンスに流し、それにより休
止過程の間に誘導の法則を利用してインダクタンスにおける高電圧を発生し、そ
の電圧は、特に高速のスイッチングダイオードを使用して直接取り出すか、また
は追加のインダクタンスを介して減結合されることを特徴とするワイヤレス電力
伝送システム。 - 【請求項7】 請求項6記載のシステムにおいて、その効率がDC−DCコ
ンバータのインダクダンスで発生したパルスをその入力へフィードバックするこ
とによりさらに高められることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項8】 請求項1記載のシステムにおいて、最初に回路素子を駆動開
始するための増加DC電圧を発生した後、 特に受信器に局在する発振器か、または伝送信号のデジタル暗号化情報からの
誘導により、駆動開始した該回路素子を用いてコンバータクロックの発生が受信
器において局在的に引き継がれ、これによりデータ送信目的のための電波周波数
の使用を可能とし、さらにコンバータ出力電圧の局在的な負荷依存制御を可能と
することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項9】 請求項8記載のシステムにおいて、受信器においてコンバー
タクロックを発生した後、この事実が逆チャンネルを介して送信器へ伝達され、
これにより送信器を異なる作動状態へスイッチさせ、特にパルス変調または振幅
変調が連続伝送信号(連続波)または異なるパルス占有率の伝送信号に置き換え
られることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 【請求項10】 請求項1または9記載のシステムにおいて、特別に制御さ
れた半導体素子により、受信器の少なくとも一つのアンテナ、または受信器の少
なくとも一つの回路または検出器においてインピーダンス変化を生じさせ、 これを受信器から、受信アンテナの反射および吸収作用を変えることにより追
加の受信要素が備えられた送信器への、デジタル情報のフィードバックに使用す
る(後方散乱変調)ことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
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