JP2008204061A - マイクロ波電力伝送システム、およびマイクロ波電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波電力伝送システムにおいて、安定した電力の伝送を実現する。
【解決手段】タグリーダ１２は、ＲＦＩＤタグ１１からのパイロット信号を受信する前は、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有する基準電力信号を送信する。ＲＦＩＤタグ１１は、基準電力信号の電力を電力計２８で計測し、この計測結果のデータを重畳したパイロット信号をタグリーダ１２に送信する。タグリーダ１２のＣＰＵ４８は、角度検出回路５５でパイロット信号の到来方向を検出した結果、および電力の計測結果のデータに基づいて、マイクロ波がＲＦＩＤタグ１１の方向に集束されるように、且つその電力がＲＦＩＤタグ１１で必要な値となるように調整する。
【選択図】図５

Description

本発明は、マイクロ波を用いて電力を送受電する送電機および受電機からなり、受電機が送電機に対して移動するような場合に好適なマイクロ波電力伝送システム、およびマイクロ波電力伝送方法に関する。

近年、非接触でデータを送受信することが可能なＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification；無線認証）と呼ばれるシステムが盛んに開発されている。ＲＦＩＤシステムは、データが記憶されたＲＦＩＤタグと、ＲＦＩＤタグからデータを受信するタグリーダとから構成される。ＲＦＩＤシステムには、ＲＦＩＤタグに電源をもつアクティブ方式と、ＲＦＩＤタグに電源をもたず、タグリーダからの電磁波を電力に変換してＲＦＩＤタグを作動させるパッシブ方式とがある。

パッシブ方式のＲＦＩＤシステムでは、タグリーダ側の誘導コイルの起電力を、電磁誘導作用によりＲＦＩＤタグ側の誘導コイルで受電する電磁誘導方式が採用されている。しかしながら、電磁誘導方式は数十ｃｍ程度の比較的短い距離の使用に限られるため、長距離の電力伝送が可能なマイクロ波を用いた方式が注目されている。

マイクロ波を用いた電力伝送方式としては、代表例として、巨大な太陽電池パネルをもつ人工衛星を静止軌道上に打ち上げ、太陽電池パネルで発電した電力をマイクロ波に変換して、地上の受電設備に送電するＳＳＰ（Space Solar Power；宇宙太陽光発電）システムが検討されている。また、給電設備の設置が困難な山間部や離島などの遠隔地に、給電設備の整った地域から電力を送電する技術への応用も期待されている。

ところで、電磁誘導やマイクロ波を用いた電力伝送システムでは、如何にして確実に安定した電力の伝送を実現するかが大きな課題となっており、従来、この課題を解決するための様々な技術が提案されている（特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載の発明では、誘導コイルにより電力を送受電する送電機および受電機からなる電力伝送システムにおいて、受信した電力レベルに応じてフィードバック信号を受電機で出力し、フィードバック信号に応じて送電機で電力を調整することにより、送電機から受電機への送電効率の変化を補償している。

特許文献２に記載の発明では、マイクロ波に変換した電力を送電アンテナから受電アンテナに送電する電力伝送システムにおいて、受電アンテナの受波面に複数の領域を設定しておき、領域毎にマイクロ波による電力の大きさを検出して、電力の大きさの検出結果から、受波面の中央からのマイクロ波のずれ方向およびずれ量を算出し、この算出結果に基づいて、送電アンテナの指向方向を変更している。
特開平６−０１４４８０号公報 特開２００４−０８８４４３号公報

特許文献１に記載の発明は、電磁誘導方式を対象としており、マイクロ波を用いた電力伝送システムに採用することができない。また、特許文献２に記載の発明は、送受電アンテナの位置が固定されていて、多少のずれはあるものの、略確実にマイクロ波が受波面に当たる場合を想定している。このため、多少のずれを微調整する場合には適しているが、ＲＦＩＤシステムのように、ＲＦＩＤタグがタグリーダに対して移動し、これらの位置関係が定まらない場合には不向きである。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、受電機が送電機に対して移動する場合においても、安定した電力の伝送を実現することが可能なマイクロ波電力伝送システム、およびマイクロ波電力伝送方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、マイクロ波を用いて電力を送受電する送電機および受電機を備えたマイクロ波電力伝送システムであって、前記送電機は、電力をマイクロ波に変換して送信する電力送信手段と、前記電力送信手段の動作を制御する制御手段と、前記受電機からのパイロット信号を受信する信号受信手段と、前記パイロット信号の到来方向を検出する角度検出手段とを有し、前記受電機は、前記電力送信手段からのマイクロ波を受信する電力受信手段と、前記電力受信手段で受信したマイクロ波の電力を計測する電力計と、前記電力計の計測結果のデータを重畳して前記パイロット信号を送信する信号送信手段とを有し、前記制御手段は、前記パイロット信号を受信する前は、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有するマイクロ波が前記電力送信手段から送信されるようにし、前記パイロット信号を受信した際には、前記角度検出手段の検出結果、および前記計測結果のデータに基づいて、前記電力送信手段から送信されるマイクロ波が前記受電機の方向に集束されるように、且つその電力が前記受電機で必要な値となるように調整することを特徴とする。

前記電力送信手段は、複数のアンテナが配列されたフェイズドアレイアンテナを含み、前記制御手段は、前記複数のアンテナの各々から放射されるマイクロ波を移相することで、マイクロ波の指向方向の調整を行うことが好ましい。

前記信号送信手段は、前記電力受信手段でマイクロ波を受信している間、前記パイロット信号を送信し、前記制御手段は、前記パイロット信号を前記信号受信手段で受信する都度、前記調整を行うことが好ましい。

前記制御手段は、調整した電力の値が規定の範囲を超える場合、前記電力送信手段のマイクロ波の送信を中止させることが好ましい。

前記送電機は、相互通信可能に複数台設置されており、前記受電機にマイクロ波を送信している送電機で、前記計測結果のデータが予め設定された閾値を下回った場合には、その送電機によるマイクロ波の送信を中止し、他の送電機に切り替えてマイクロ波の送信を再開することが好ましい。

前記受電機は、前記計測結果のデータが予め設定された閾値を下回った場合に、その不足分を補うように作動する予備電源を有することが好ましい。この場合、前記予備電源は、一次電池、二次電池、太陽電池、または人間の体温で発電する体温発電素子を利用した電池のうち、少なくともいずれか一つから構成されることが好ましい。

前記電力送信手段と前記信号受信手段、および前記電力受信手段と前記信号送信手段は、異なる二種類の周波数のマイクロ波を用いて、電力を変換したマイクロ波、および前記パイロット信号を送受信することが好ましい。

あるいは、前記電力送信手段と前記信号受信手段、および前記電力受信手段と前記信号送信手段はそれぞれ一体化されており、同一の周波数のマイクロ波を用いて、電力を変換したマイクロ波、および前記パイロット信号を時分割多重方式で送受信することが好ましい。

前記受電機は、データが記憶されたＲＦＩＤタグであり、前記送電機は、前記ＲＦＩＤタグから前記データを受信するタグリーダであることが好ましい。

請求項１１に記載の発明は、送電機、受電機間でマイクロ波を用いて電力を送受電するマイクロ波電力伝送方法であって、前記受電機は、前記送信機から送信されたマイクロ波の電力を計測して、この計測結果のデータを重畳したパイロット信号を送信し、前記送信機は、前記パイロット信号を受信する前は、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有するマイクロ波を送信し、前記パイロット信号を受信した際には、前記パイロット信号の到来方向を検出して、この検出結果、および前記計測結果のデータに基づいて、マイクロ波が前記受電機の方向に集束されるように、且つその電力が前記受電機で必要な値となるように調整することを特徴とする。

本発明のマイクロ波電力伝送システム、およびマイクロ波電力伝送方法によれば、パイロット信号による送信機と受信機の位置関係、および電力計によるマイクロ波の電力の計測結果に応じて、マイクロ波の指向方向、および電力を調整するので、受電機が送電機に対して移動する場合においても、安定した電力の伝送を実現することが可能となる。

図１において、ＲＦＩＤシステム２は、部屋の出入りや装置の使用許可、代金の支払いなどの際に個人認証を行うためのもので、ユーザーが所有する個人認証カード１０に埋め込まれたＲＦＩＤタグ１１と、部屋の壁面などに取り付けられたタグリーダ１２とから構成される。

ＲＦＩＤシステム２では、二種類のマイクロ波１３、１４をＲＦＩＤタグ１１とタグリーダ１２との間で送受信することにより、データおよび電力の遣り取りを行う。マイクロ波１３、１４には、例えば、９５０ＭＨｚ、２．４ＧＨｚの周波数がそれぞれ用いられている。以下の説明では、マイクロ波１３をデータ送受信用マイクロ波、略してＭｄ、マイクロ波１４を電力送受信用マイクロ波、略してＭｐと表現する。

図２において、ＲＦＩＤタグ１１には、Ｍｄ１３を送受信するためのデータ送受信用アンテナ（以下、Ｔ−Ａｄと略す）２０、およびＭｐ１４を受信するための電力受信用アンテナ（以下、Ｔ−Ａｐと略す）２１が設けられている。

Ｔ−Ａｄ２０には、送受信回路２２が接続されており、送受信回路２２には、変調回路２３、および復調回路２４が接続され、これらはＣＰＵ２５に接続している。また、変調回路２３には、マイクロ波発生回路２６が接続されている。

変調回路２３は、ＣＰＵ２５からのデータを重畳して、マイクロ波発生回路２６から供給されるマイクロ波（搬送波）をＭｄ１３に変調し、変調したＭｄ１３を送受信回路２２に出力する。復調回路２４は、タグリーダ１２からのＭｄ１３を元のデータに復調し、復調したデータをＣＰＵ２５に出力する。送受信回路２２は、変調回路２３からのＭｄ１３を増幅して帯域通過濾波した後、Ｔ−Ａｄ２０に出力するとともに、Ｔ−Ａｄ２０を介して受信したＭｄ１３を増幅して帯域通過濾波した後、復調回路２４に出力する。

Ｔ−Ａｐ２１には、整流回路２７が接続されている。図３に示すように、整流回路２７は、整合器３０、入出力フィルタ３１、３２、整流器３３、およびレギュレータ３４を含む。

整合器３０は、Ｔ−Ａｐ２１と整流回路２７とのインピーダンス整合をとる。入出力フィルタ３１、３２は、Ｍｐ１４の基本波の通過を許容し、且つ整流器３３の非線形特性により発生するＭｐ１４の高調波を抑制し、Ｔ−Ａｐ２１からの高調波の再放射、およびＣＰＵ２５への高調波の漏洩をそれぞれ防止する。

整流器３３は、ダイオードからなり、Ｍｐ１４を整流して直流電力を出力する。レギュレータ３４は、整流器３３から出力された直流電力を一定の電力に安定化する。Ｔ−Ａｐ２１と整流回路２７は、いわゆるレクテナ（rectenna,rectifying antenna）を構成している。

図２に戻って、整流回路２７は、直流電力をＣＰＵ２５、および電力計２８に出力する。ＣＰＵ２５は、整流回路２７からの直流電力で動作する。電力計２８は、整流回路２７からの直流電力を一定のサンプリング間隔（例えば、一秒）で計測し、この計測結果のデータをＣＰＵ２５に逐次出力する。

ＣＰＵ２５は、ＲＦＩＤタグ１１の全体の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ２５には、メモリ２９が接続されている。メモリ２９には、ＲＦＩＤタグ１１を動作させるための各種プログラムや、識別番号などの個人認証用のデータが記憶されている。ＣＰＵ２５は、メモリ２９からプログラムを読み出して内蔵ＲＡＭ（図示せず）に展開し、読み出したプログラムを逐次処理する。

ＣＰＵ２５は、タグリーダ１２からの制御信号（後述）に応じて、個人認証用のデータをメモリ２９から読み出し、これを変調回路２３に出力する。また、ＣＰＵ２５は、タグリーダ１２からの基準電力信号（後述）を受信した際、およびタグリーダ１２からの調整電力信号（後述）を受信している間は一定時間間隔で、電力計２８の計測結果のデータ（例えば、ある一定時間サンプリングした電力を積算してサンプリング回数で割った平均）を変調回路２３に出力する。

前述のように、ＣＰＵ２５から変調回路２３に出力された個人認証用のデータ、および計測結果のデータは、変調回路２３によって、マイクロ波発生回路２６からの搬送波に重畳され、Ｔ−Ａｄ２０からＭｄ１３として送信される。以下、個人認証用のデータ、および計測結果のデータが重畳されたＭｄ１３をそれぞれ、認証信号、およびパイロット信号という。

図４において、タグリーダ１２には、Ｍｄ１３を送受信するためのデータ送受信用アンテナ（以下、Ｒ−Ａｄ_１と略す）４０、Ｍｄ１３を受信するためのデータ受信用アンテナ（以下、Ｒ−Ａｄ_２と略す）４１、およびＭｐ１４を送信するための電力送信用アンテナ（以下、Ｒ−Ａｐと略す）４２が設けられている。Ｒ−Ａｄ_２４１は、四個のアンテナ４３ａ〜４３ｄから構成される。一方、Ｒ−Ａｐ４２は、ｎ個のアンテナ４４が配列されたフェイズドアレイアンテナからなる。

Ｒ−Ａｄ_１４０には、送受信回路４５が接続されており、送受信回路４５には、変調回路４６、および復調回路４７が接続されている。変調回路４６、および復調回路４７には、ＣＰＵ４８が接続されている。また、変調回路４６には、マイクロ波発生回路４９が接続されている。

変調回路４６は、ＣＰＵ４８からのデータを重畳して、マイクロ波発生回路４９から供給されるマイクロ波（搬送波）をＭｄ１３に変調し、変調したＭｄ１３を送受信回路４５に出力する。復調回路４７は、ＲＦＩＤタグ１１からのＭｄ１３（すなわち、認証信号、およびパイロット信号）を元のデータ（個人認証用のデータ、および計測結果のデータ）に復調し、復調したデータをＣＰＵ４８に出力する。送受信回路４５は、変調回路４６からのＭｄ１３を増幅して帯域通過濾波した後、Ｒ−Ａｄ_１４０に出力するとともに、Ｒ−Ａｄ_１４０を介して受信したＭｄ１３を増幅して帯域通過濾波した後、復調回路４７に出力する。

マイクロ波発生回路５０は、２．４ＧＨｚのマイクロ波を発生する。電力増幅回路５１は、マイクロ波発生５０で発生されたマイクロ波を適切な値で増幅し、分波回路５２に出力する。分波回路５２は、電力増幅回路５１で増幅されたマイクロ波を、ｎ個のアンテナ４４に対応して設けられたｎ個の移相回路５３に出力する。

他方、Ｒ−Ａｄ_２４１を構成するアンテナ４３ａ〜４３ｄは、タグリーダ１２に対するＲＦＩＤタグ１１の相対的な角度を求めるために、二個ずつに分かれて近接して配置されている。アンテナ４３ａ〜４３ｄには、受信回路５４ａ〜５４ｄが接続されている。受信回路５４ａ〜５４ｄは、アンテナ４３ａ〜４３ｄを介して受信したＭｄ１３をそれぞれ増幅して帯域通過濾波した後、角度検出回路５５に出力する。

角度検出回路５５は、ＲＦＩＤタグ１１からのＭｄ１３（パイロット信号）を解析して、タグリーダ１２に対するＲＦＩＤタグ１１の相対的な角度を求める。角度の求め方の具体例としては、アンテナ４３ａ〜４３ｄで受信したパイロット信号のそれぞれの位相差、すなわち、アンテナ４３ａ〜４３ｄへのパイロット信号の到達時間のずれ量を演算する。このずれ量は、ＲＦＩＤタグ１１とタグリーダ１２との相対的な位置関係を表す情報に他ならない。角度検出回路５５は、適当な換算式やデータテーブルを用いて、演算したずれ量を、タグリーダ１２の位置を中心としたときのＲＦＩＤタグ１１の位置の方位角、および仰角に換算し、換算した角度のデータをＣＰＵ４８に出力する。

ＣＰＵ４８は、角度検出回路５５からの角度のデータに基づいて、Ｒ−Ａｐ４２からのＭｐ１４がＲＦＩＤタグ１１の方向に集束されるように、Ｒ−Ａｐ４２を構成するｎ個のアンテナ４４の各々から放射させるＭｐ１４の移相量を演算する。ＣＰＵ４８は、演算した移相量のデータを移相回路５３に出力する。

また、ＣＰＵ４８は、復調回路４７で復調されたＲＦＩＤタグ１１からの電力の計測結果のデータに基づいて、Ｍｐ１４による電力がＲＦＩＤタグ１１で必要な値となるように、電力増幅回路５１を制御する。電力増幅回路５１は、電力の計測結果データに基づいた電力の調整を行う。さらに、ＣＰＵ４８は、調整した電力の値が規定の範囲（例えば、放射電力密度１ｍＷ／ｃｍ_２に相当する放射電力量）を超える場合、マイクロ波の送信を中止させる。

移相回路５３は、ＣＰＵ４８からの移相量のデータに基づいて、分波回路５２からのマイクロ波の位相をずらし、ｎ個のアンテナ４４に出力する。これにより、ＲＦＩＤタグ１１の方向に指向され、ＲＦＩＤタグ１１で必要な値に電力が調整されたＭｐ１４（以下、調整電力信号という）がＲ−Ａｐ４２から放射される。

パイロット信号を受信する前は、当然ながら角度の検出、移相量の演算、およびＭｐ１４の指向方向と電力の調整は行われない。このため、Ｒ−Ａｐ４２からは、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有するＭｐ１４（以下、基準電力信号という）が放射される。

ＣＰＵ４８は、タグリーダ１２の全体の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ４８には、メモリ５６が接続されている。メモリ５６には、タグリーダ１２を動作させるための各種プログラムや、識別番号などの個人認証用のデータが記憶されている。ＣＰＵ４８は、メモリ５６からプログラムを読み出して内蔵ＲＡＭ（図示せず）に展開し、読み出したプログラムを逐次処理する。

ＣＰＵ４８は、パイロット信号を受信して、調整電力信号をＲＦＩＤタグ１１に送信してから所定の時間が経過した後、認証信号を要求する制御命令を変調回路４６に出力する。以下、制御命令が重畳されたＭｄ１３を、制御信号という。

また、ＣＰＵ４８は、ＲＦＩＤタグ１１からの認証信号を受けて、個人認証用のデータをメモリ５６から読み出し、この読み出したデータと、復調回路４７で復調されたＲＦＩＤタグ１１からの個人認証用のデータとを比較照合することで、個人認証を行う。

次に、上記構成を有するＲＦＩＤシステム２の処理手順について、図５のタイミングチャートを参照して説明する。なお、タイミングチャートは、上半分がタグリーダ１２、下半分がＲＦＩＤタグ１１の処理を示しており、上から順に、タグリーダ１２内の各部の処理、Ｒ−Ａｄ_１４０とＲ−Ａｄ_２４１、Ｒ−Ａｐ４２、Ｔ−Ａｄ２０、およびＴ−Ａｐ２１のそれぞれにおける各種信号の送受信状況、ＲＦＩＤタグ１１内の各部の処理を、矢印方向で示す時間経過とともに表したものである。

まず、パイロット信号を受信する前は、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有する基準電力信号がＲ−Ａｐ４２から送信されている。この状態でＲＦＩＤタグ１１が埋め込まれた個人認証カード１０を持ったユーザーがタグリーダ１２に近付き、ＲＦＩＤタグ１１が基準電力信号の受信領域内に入ると、Ｔ−Ａｐ２１で基準電力信号が受信される。

Ｔ−Ａｐ２１で基準電力信号が受信されると、Ｔ−Ａｐ２１で受信された基準電力信号は、整流回路２７に入力される。整流回路２７に入力された基準電力信号は、入出力フィルタ３１、３２により高調波を抑制され、整流器３３で整流されて直流電力に変換される。整流器３３から出力された直流電力は、レギュレータ３４で安定化されて、ＣＰＵ２５、および電力計２８に出力される。ＣＰＵ２５に出力された電力は、各部に供給される。また、電力計２８では、整流回路２７からの直流電力が計測される。電力計２８の計測結果のデータは、ＣＰＵ２５に出力される。

電力計２８の計測結果のデータは、ＣＰＵ２５により変調回路２３に出力される。変調回路２３では、ＣＰＵ２５からの計測結果のデータが重畳され、マイクロ波発生回路２６から供給されるマイクロ波がＭｄ１３に変調されて、送受信回路２２に出力される。送受信回路２２に出力されたＭｄ１３は、増幅、帯域通過濾波された後、Ｔ−Ａｄ２０に出力される。これにより、計測結果のデータが重畳されたＭｄ１３、すなわちパイロット信号がＴ−Ａｄ２０からタグリーダ１２に向けて放射される。

Ｒ−Ａｄ_１４０でパイロット信号が受信されると、Ｒ−Ａｄ_１４０で受信されたパイロット信号は、送受信回路４５により増幅、帯域通過濾波された後、復調回路４７に出力される。復調回路４７では、パイロット信号が元の計測結果のデータに復調される。復調回路４７で復調された計測結果のデータは、ＣＰＵ４８に出力される。他方、マイクロ波発生回路５０では、２．４ＧＨｚのマイクロ波が生成される。マイクロ波発生回路５０で生成されたマイクロ波は、電力増幅回路５１で適切な値で増幅された後、分波回路５２に出力され、分波回路５２によって分波されて、移相回路５３に出力される。

対して、Ｒ−Ａｄ_２４１でパイロット信号が受信されると、Ｒ−Ａｄ_２４１で受信されたパイロット信号は、Ｒ−Ａｄ_２４１を構成するアンテナ４３ａ〜４３ｄからそれぞれ受信回路５４ａ〜５４ｄに出力され、受信回路５４ａ〜５４ｄで増幅、帯域通過濾波された後、角度検出回路５５に出力される。

角度検出回路５５では、アンテナ４３ａ〜４３ｄで受信したパイロット信号のそれぞれの位相差が演算されて、この演算結果から、タグリーダ１２の位置を中心としたときのＲＦＩＤタグ１１の位置の方位角、および仰角が換算される。角度検出回路５５で換算された角度のデータは、ＣＰＵ４８に出力される。

ＣＰＵ４８では、角度検出回路５５からの角度のデータを受けて、Ｒ−Ａｐ４２からのＭｐ１４がＲＦＩＤタグ１１の方向に集束されるような、アンテナ４４の各々から放射させるＭｐ１４の移相量が演算される。ＣＰＵ４８で演算された移相量のデータは、移相回路５３に出力される。また、復調回路４７で復調された計測結果のデータに基づいて、Ｍｐ１４による電力がＲＦＩＤタグ１１で必要な値となるように、ＣＰＵ４８により電力増幅回路５１が制御され、電力が調整される。

移相回路５３では、ＣＰＵ４８からの移相量のデータに応じて、分波回路５２からのマイクロ波の位相がずらされる。移相回路５３で位相が調整されたマイクロ波は、アンテナ４４に出力される。これにより、ＲＦＩＤタグ１１の方向に指向され、ＲＦＩＤタグ１１で必要な値に電力が調整された調整電力信号がＲ−Ａｐ４２からＲＦＩＤタグ１１に向けて放射される。ＣＰＵ４８で調整された電力の値が規定の範囲を超える場合は、マイクロ波の送信が中止される。

ＲＦＩＤタグ１１では、基準電力信号の場合と同様の手順で、調整電力信号が電力に変換され、ＣＰＵ２５により各部に供給される。ＲＦＩＤタグ１１、タグリーダ１２間では、調整電力信号を送受信している間、パイロット信号の送受信が一定時間間隔で行われる。このため、上記一連の処理（パイロット信号の送受信→角度、電力の検出→位相、電力の調整→調整電力信号の送受信）も繰り返し行われる。したがって、タグリーダ１２からＲＦＩＤタグ１１に常に安定した電力を供給することができる。

パイロット信号を受信して、調整電力信号を送信してから所定の時間が経過した後、認証信号を要求する制御命令がＣＰＵ４８から変調回路４６に出力される。変調回路４６では、ＣＰＵ４８からの制御命令が重畳され、マイクロ波発生回路４９から供給されるマイクロ波がＭｄ１３に変調され、送受信回路４５に出力される。送受信回路４５に出力されたＭｄ１３は、増幅、帯域通過濾波された後、Ｒ−Ａｄ_１４０に出力される。これにより、制御命令が重畳されたＭｄ１３、すなわち制御信号がＲ−Ａｄ_１４０からＲＦＩＤタグ１１に向けて放射される。

Ｔ−Ａｄ２０で制御信号が受信されると、Ｔ−Ａｄ２０で受信された制御信号は、送受信回路２２により増幅、帯域通過濾波された後、復調回路２４で元の制御命令に復調され、ＣＰＵ２５に出力される。制御命令を受けて、個人認証用のデータがメモリ２９からＣＰＵ２５に読み出され、このデータが変調回路２３に出力される。変調回路２３では、ＣＰＵ２５からの個人認証用のデータが重畳され、マイクロ波発生回路２６から供給されるマイクロ波がＭｄ１３に変調され、送受信回路２２に出力される。送受信回路２２に出力されたＭｄ１３は、増幅、帯域通過濾波された後、Ｔ−Ａｄ２０に出力される。これにより、個人認証用のデータが重畳されたＭｄ１３、すなわち認証信号がＴ−Ａｄ２０からタグリーダ１２に向けて放射される。

Ｒ−Ａｄ_１４０で認証信号が受信されると、Ｒ−Ａｄ_１４０で受信された認証信号は、送受信回路４５により増幅、帯域通過濾波された後、復調回路４７で元の個人認証用のデータに復調され、ＣＰＵ４８に出力される。ＣＰＵ４８では、認証信号を受けて、個人認証用のデータがメモリ５６から読み出される。そして、メモリ５６から読み出されたデータと、復調回路４７からの個人認証用のデータとが比較照合され、個人認証が行われる。個人認証後、タグリーダ１２からの調整電力信号の送信が中止され、ＲＦＩＤタグ１１、タグリーダ１２間のデータ、および電力の遣り取りが終了される。

ここで、ＲＦＩＤタグ１１、タグリーダ１２間でデータ、および電力の遣り取りをしている際に、これらの間に障害物が介在することによって、Ｍｄ１３、Ｍｐ１４の送受信が妨害される場合がある。このため、図６に示すように、位置を違えて複数台のタグリーダ１２を設置し、これらを相互通信可能に有線または無線で接続したＲＦＩＤシステム６０を構築してもよい。

この場合、複数台のタグリーダ１２の全てから基準電力信号を放射させ、複数台のタグリーダ１２のうち、計測結果のデータの値が最も大きいものを、ＲＦＩＤタグ１１とデータ、および電力の遣り取りをするタグリーダとして選定する。そして、選定されたタグリーダを含む全てのタグリーダ１２のＣＰＵ４８で、計測結果のデータを監視する。最初に選定されたタグリーダで、計測結果のデータが予め設定された閾値を下回った場合には、ＲＦＩＤタグ１１との間に障害物が介在していると判断し、最初に選定されたタグリーダによるデータ、および電力の遣り取りを中止し、そのときに計測結果のデータの値が最も大きいタグリーダでデータ、および電力の遣り取りを再開する。

あるいは、複数台のタグリーダ１２のうち一台をメインのタグリーダとし、メインのタグリーダ１２のみから基準電力信号を放射させ、メインのタグリーダのＣＰＵ４８で、計測結果のデータを監視する。そして、計測結果のデータが予め設定された閾値を下回った場合に、ＲＦＩＤタグ１１との間に障害物が介在していると判断し、メインのタグリーダによるデータ、および電力の遣り取りを中止するとともに、その旨を表す信号を別のタグリーダに送信し、別のタグリーダでデータ、および電力の遣り取りを再開する。

また、障害物の介在によってＭｄ１３、Ｍｐ１４の送受信が妨害される場合を考慮して、図７に示すＲＦＩＤタグ７０のように、Ｍｐ１４による電力の受給とは別に、予備電源７１を設けてもよい。予備電源７１は、一次電池、二次電池、太陽電池、または人間の体温で発電する体温発電素子を利用した電池のうち、少なくともいずれか一つから構成される。予備電源７１は、Ｍｐ１４による電力が予め設定された閾値を下回った場合に、その不足分を補うように作動する。このようにすれば、ＲＦＩＤタグ１１、タグリーダ１２間に障害物が介在した場合においても、安定した電力供給が保障され、常に最適な状態でＲＦＩＤシステムを運用することができる。なお、予備電源７１に二次電池を用いる場合は、外部電源で蓄電する構成としてもよいし、Ｍｐ１４による電力の余剰分を蓄電する構成としてもよい。

上記実施形態では、Ｍｄ１３、およびＭｐ１４の二種類のマイクロ波を用いて、ＲＦＩＤタグ１１、タグリーダ１２間のデータおよび電力の遣り取りを行っているが、本発明はこれに限定されるものではなく、同一の周波数のマイクロ波を用いて、一定時間毎に区切ったフレームをさらにある時間間隔で区切ったタイム・スロットに、データおよび電力をそれぞれ割り当てて送受信する時分割多重方式を採用してもよい。これにより、データおよび電力を送受信するアンテナや送受信回路、変調回路、復調回路、マイクロ波発生回路などを共用することができ、製品のコストダウンに寄与することができる。

上記実施形態では、パイロット信号を四個のアンテナ４３ａ〜４３ｄで受信して、アンテナ４３ａ〜４３ｄで受信したパイロット信号のそれぞれの位相差の演算結果から、タグリーダ１２に対するＲＦＩＤタグ１１の相対的な角度を求めているが、角度検出の方法としては、周知の他の技術を採用してもよい。

上記実施形態では、マイクロ波電力伝送システムとしてＲＦＩＤシステムを例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、生体情報取得システムや、携帯型情報表示システムに適用することも可能である。

ＲＦＩＤシステムの概略構成を示す説明図である。 ＲＦＩＤタグの内部構成を示すブロック図である。 整流回路の内部構成を示すブロック図である。 タグリーダの内部構成を示すブロック図である。 ＲＦＩＤシステムの処理手順を示すタイミングチャートである。 タグリーダを複数台設置した例を示す説明図である。 予備電源を設けたＲＦＩＤタグの例を示すブロック図である。

符号の説明

２、６０ ＲＦＩＤシステム
１１、７０ ＲＦＩＤタグ
１２ タグリーダ
１３ データ送受信用マイクロ波（Ｍｄ）
１４ 電力送受信用マイクロ波（Ｍｐ）
２０ データ送受信用アンテナ（Ｔ−Ａｄ）
２１ 電力受信用アンテナ（Ｔ−Ａｐ）
２２ 送受信回路
２３ 変調回路
２５ ＣＰＵ
２７ 整流回路
２８ 電力計
４０ データ送受信用アンテナ（Ｒ−Ａｄ_１）
４１ データ受信用アンテナ（Ｒ−Ａｄ_２）
４２ 電力送信用アンテナ（Ｒ−Ａｐ）
４５ 送受信回路
４７ 復調回路
４８ ＣＰＵ
５０ マイクロ波発生回路
５１ 電力増幅回路
５３ 移相回路
５５ 角度検出回路
７１ 予備電源

Claims (11)

1. マイクロ波を用いて電力を送受電する送電機および受電機を備えたマイクロ波電力伝送システムであって、
   前記送電機は、電力をマイクロ波に変換して送信する電力送信手段と、
   前記電力送信手段の動作を制御する制御手段と、
   前記受電機からのパイロット信号を受信する信号受信手段と、
   前記パイロット信号の到来方向を検出する角度検出手段とを有し、
   前記受電機は、前記電力送信手段からのマイクロ波を受信する電力受信手段と、
   前記電力受信手段で受信したマイクロ波の電力を計測する電力計と、
   前記電力計の計測結果のデータを重畳して前記パイロット信号を送信する信号送信手段とを有し、
   前記制御手段は、前記パイロット信号を受信する前は、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有するマイクロ波が前記電力送信手段から送信されるようにし、
   前記パイロット信号を受信した際には、前記角度検出手段の検出結果、および前記計測結果のデータに基づいて、前記電力送信手段から送信されるマイクロ波が前記受電機の方向に集束されるように、且つその電力が前記受電機で必要な値となるように調整することを特徴とするマイクロ波電力伝送システム。
2. 前記電力送信手段は、複数のアンテナが配列されたフェイズドアレイアンテナを含み、
   前記制御手段は、前記複数のアンテナの各々から放射されるマイクロ波を移相することで、マイクロ波の指向方向の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波電力伝送システム。
3. 前記信号送信手段は、前記電力受信手段でマイクロ波を受信している間、前記パイロット信号を送信し、
   前記制御手段は、前記パイロット信号を前記信号受信手段で受信する都度、前記調整を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波電力伝送システム。
4. 前記制御手段は、調整した電力の値が規定の範囲を超える場合、前記電力送信手段のマイクロ波の送信を中止させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ波電力伝送システム。
5. 前記送電機は、相互通信可能に複数台設置されており、
   前記受電機にマイクロ波を送信している送電機で、前記計測結果のデータが予め設定された閾値を下回った場合には、その送電機によるマイクロ波の送信を中止し、他の送電機に切り替えてマイクロ波の送信を再開することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ波電力伝送システム。
6. 前記受電機は、前記計測結果のデータが予め設定された閾値を下回った場合に、その不足分を補うように作動する予備電源を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロ波電力伝送システム。
7. 前記予備電源は、一次電池、二次電池、太陽電池、または人間の体温で発電する体温発電素子を利用した電池のうち、少なくともいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波電力伝送システム。
8. 前記電力送信手段と前記信号受信手段、および前記電力受信手段と前記信号送信手段は、異なる二種類の周波数のマイクロ波を用いて、電力を変換したマイクロ波、および前記パイロット信号を送受信することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロ波電力伝送システム。
9. 前記電力送信手段と前記信号受信手段、および前記電力受信手段と前記信号送信手段はそれぞれ一体化されており、同一の周波数のマイクロ波を用いて、電力を変換したマイクロ波、および前記パイロット信号を時分割多重方式で送受信することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロ波電力伝送システム。
10. 前記受電機は、データが記憶されたＲＦＩＤタグであり、前記送電機は、前記ＲＦＩＤタグから前記データを受信するタグリーダであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロ波電力伝送システム。
11. 送電機、受電機間でマイクロ波を用いて電力を送受電するマイクロ波電力伝送方法であって、
    前記受電機は、前記送信機から送信されたマイクロ波の電力を計測して、この計測結果のデータを重畳したパイロット信号を送信し、
    前記送信機は、前記パイロット信号を受信する前は、指向性がなく、規定の範囲内の一定の電力を有するマイクロ波を送信し、
    前記パイロット信号を受信した際には、前記パイロット信号の到来方向を検出して、この検出結果、および前記計測結果のデータに基づいて、マイクロ波が前記受電機の方向に集束されるように、且つその電力が前記受電機で必要な値となるように調整することを特徴とするマイクロ波電力伝送方法。

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