JP2010530210A - 無線送電システム - Google Patents

Abstract

無線送電システムは、マイクロ波エネルギーを用いて電子デバイスに無線充電および／または主電力を供給するシステム（１００ａ）である。マイクロ波エネルギーは、一つまたは複数の順応位相マイクロ波アレイエミッターを有する電力送信器によってデバイスに焦点を合わせる。デバイスの中のレクテナはマイクロ波エネルギーを受信、整流し、バッテリーの充電および／または主電力として使用する。通信経路（ＨＯａ）は無線電力源とデバイスとの間で開かれる。充電されるデバイスは、経路（ＨＯａ）を通じてレクテナにおけるビーム信号の強度を電力源に報告する。この情報は充電されるデバイスからマイクロ波エネルギーの最大値が報告されるまでマイクロ波アレイエミッターの送信位相を調整するためにシステムによって使用される。後方散乱はマイクロ波アレイエミッターを不均一、同一平面状にない形態で物理的に配置することによって最小化される。

Description

本発明は、一般に送電システムおよびバッテリー充電器、特にマイクロ波送信によって電力を必要とするデバイスに電力を供給する無線送電の方法とシステムに関する。

多くの携帯用電子デバイスはバッテリーによって電力を供給されている。再充電可能なバッテリーは、標準的な乾電池を交換する費用を節減し、貴重な資源を節約するためによく使用される。しかし、標準的な再充電可能なバッテリーの充電器を用いたバッテリーの再充電は、交流電力出力への接続を必要とし、交流電力出力は利用できない場合が時々ある。よって電磁放射線からバッテリー充電器に電力を供給するのが望ましいだろう。

太陽電池式充電器は知られているが、太陽電池セルは値段が高く、十分な容量のバッテリーを充電するためには大量の太陽電池セルが必要とされることがある。交流電力電源から離れた場所でバッテリー充電器に電力を供給できるような、電磁エネルギーの他の見込みのある供給源は、マイクロ波エネルギーであり、これは太陽電池式の人工衛星から供給されてマイクロ波ビームによって地球へ送信され、または携帯電話の送信器等からの周囲を取り巻くラジオ周波数エネルギーから供給されてもよい。しかし、専用地上波マイクロ波電力送信器の使用を不可能にする、マイクロ波送信による電力の効率的な供給に関連するさまざまな問題がある。

受け取った信号の電力を増加させるために、送信電力を上げる必要があるだろう。送信された信号がＥＭ送信器から３センチメートルの地点で有効であるように受信されると仮定すると、３メートルという実用的な距離だけ離れて同じ信号の電力を受け取るには送信される電力を１００００倍に上げる必要があるだろう。このような送電は無駄が多く、ほとんどのエネルギーが送信されても目的のデバイスによって受け取られないので、生体組織に有害であり得、ごく近傍にある多くの電子デバイスに同様に干渉する可能性が高く、熱として散逸する可能性がある。

指向性アンテナの利用にはいくつかの課題があり、そのうちのいくつかは、向ける方向を認識することと、追跡する必要のある機械装置がノイズを発し信頼性にかけることと、送信の照準の進路上にあるデバイスに干渉を引き起こすことである。

指向性送電は通常、正しい方向に信号を向けることで送電の効率を高めるために、デバイスの位置を認識することを要求する。しかし、デバイスが配置されても、受け取るデバイスの近傍にある物体の反射と干渉によって、効率的な送信は保証されない。

こうして、上述の問題を解決する無線送電システムが要求される。

無線送電は、マイクロ波エネルギーを用いて、電子デバイスおよび／または電気デバイスの充電および／または主電力を無線で供給する方法およびシステムである。マイクロ波エネルギーは、充電されるデバイスに、そのデバイスの位置を認識する必要なしに焦点を合わせることができる一つまたはそれ以上の適応位相マイクロ波アレイエミッターを有する電力送信器によって供給される。充電されるデバイス中のレクテナがマイクロ波エネルギーを受け取り、整流し、バッテリーの充電および／または主電力に使用する。通信経路が無線電力源と充電されるデバイスとの間で開き、送信器を充電デバイスに合わせて調整する。

充電されるデバイスは、レクテナで受け取ったビームの信号の強度を、サイドチャネルを通じて電力源に報告する。この情報は、充電されるデバイスから最大のマイクロ波エネルギーが報告されるまで、マイクロ波アレイエミッターの送信位相を調整するためにシステムによって使用される。

または、充電されるデバイスから較正信号を受け取るようにアレイ素子を設定することもできる。それぞれのアレイ素子は受け取った較正信号から位相情報を検出／報告できる。次に、それぞれのアレイ素子は、検出した位相を素子に使用して、送信位相が充電されるデバイスに戻るようにする。

後方散乱は、事実上不均一、同一平面状にない形態でマイクロ波アレイエミッターを物理的に配置することによって最小化される。

本発明のこれらのおよび他の特徴は、以下の詳述と図をさらに再吟味することで容易に明らかになるだろう。

本発明に関する無線送電システムの第１の実施形態における周囲の斜視図である。 本発明に関する無線送電システムの第２の実施形態における周囲の斜視図である。 本発明に関する無線送電システムのマイクロ波送信器のためのフェーズドアレイネットアンテナの斜視図である。 本発明に関する無線送電システムの送電の結束部の斜視図である。 本発明に関する無線送電システムの第１の実施形態におけるブロック図である。 本発明に関する無線送電システムの第２の実施形態におけるブロック図である。

類似している参照文字は、添付の図の全てに対して一貫して、類似している特徴を示している。

図１Ａと図１Ｂに示すように、本発明は、ラップトップ型コンピュータ１０２または同様の電子デバイスおよび／または電気デバイスに、マイクロ波エネルギーによって無線充電および／または主電力を供給するためのシステム１００ａ、または代わりのシステム１００ｂを含む。システム１００ａまたはシステム１００ｂにおいて、送電網１０１ａまたは送電網１０１ｂは、電源出力Ｏにプラグが差し込まれている電源コードＰを介して交流電源から使用可能な電力を得ることができる。マイクロ波送信周波数は、適した波長を有する、利用可能なＦＣＣの制限外の周波数であることが望ましい。波長はフェーズドアレイ１０１ａまたはフェーズドアレイ１０１ｂの分解能を制限する可能性があるため、望ましい周波数は、たとえシステムに効果がある可能性のある他の周波数の選択を制限していなくても、５．８ＧＨｚ（波長では５．１７ｃｍ）であると算出されており、これは、部屋、講堂または同様のものの規模の距離でのラップトップ型コンピュータ、携帯電話、ＰＤＡなどへの送電に適している。

図１Ａから図３Ｂに示すように、マイクロ波エネルギーは、一つまたは複数の適応位相マイクロ波アレイエミッター２０４に接続されている電力源３００、すなわちアンテナまたは放射体によって、充電されるデバイスに焦点を合わせている。本発明によると、適応位相マイクロ波アレイエミッター２０４からのマイクロ波エネルギーは、デバイスの位置を認識する必要なくデバイスに焦点を合わせることができる。図１Ａ、図１Ｂおよび図３Ａ、図３Ｂに示すように、充電されるデバイス１０２の中の、望ましくは高効率のレクテナ３４０（レクテナはマイクロ波エネルギーを直接直流電力に変換する、整流アンテナである。このようなデバイスは技術的によく知られており、ここではさらに説明することはしない。）はマイクロ波エネルギーを受け取り、整流し、制御論理３５０によって決定されるように、バッテリー３７０を充電するため、および／またはデバイス１０２の主電源としてこれを使用する。第１の実施形態において、無線電力源１００ａと充電されるデバイス１０２の中の電力受信器３３０ｂとの間で、電力を送電するために使用される周波数以外の周波数で、通信経路が開く。

充電されるデバイス１０２は、通信経路１１０ａを通じてレクテナ３４０で受け取ったビームの信号の強度を、電力受信器３３０ｂの中の通信デバイス３６０の送信部からの信号を通じて、システム１００ａの電力送信器３３０ａの中の通信デバイス３２０の受信部に転送する。システム１００ａの制御論理３１０がこの情報を使用することによって、マイクロ波エネルギービーム３０１の最大値がアレイ１０１ａから放射されたことが充電されるデバイス１０２によって報告されるまで、電力増加、電力減少、およびマイクロ波アレイエミッターの結束部２０４の送信位相の調整が行われる。

目的とする送信周波数の単一光源に接続されたそれぞれのエミッター２０４は、π／２の倍数の固有位相差を有する信号を送信することができる。π／２の位相の増加は典型例であり、π／４、π／８、π／１６、および同様の位相の増加も可能である。電力は、エミッター２０４の電源を切るまたは電源をつけることを除いて、目的とする位相に調整されないことが望ましい。

図２Ａと図２Ｂに最も明瞭に示すように、鉛直のおよび水平のケーブルはそれぞれのアレイ結束部２０４で交差している。この構造はアレイ１０１ａかアレイ１０１ｂのどちらかに適用されている。鉛直ケーブル２０２内部のワイヤー２１０はゼロ位相の給電ラインである。ワイヤー２１２は（１／２）π位相の給電ライン、およびワイヤー２０９は鉛直制御ラインである。同様に、水平ケーブル２００内部のワイヤー２１４はπ位相の給電ラインである。ワイヤー２１６は（３／２）π位相の給電ライン、およびワイヤー２１１は水平制御ラインである。制御ライン２０９および２１１は、コントローラー３１０に接続され、与えられた結束部２０４のいずれにおいてもどの位相が作動中であるかを制御することができる。単一アンテナ制御はチップ２０６上で行える一方、実際の結束部の放射体またはアンテナ２０８は、結束部２０４の幾何学的な中心を取り囲む円状の素子として形成されている。当然のことながら、単一のまたは複数の制御器は一つまたはそれ以上の送電網を制御することができる。

システム１００ａの制御論理３１０の典型的なアルゴリズムは以下のとおりであってもよい。
（１）電力受信器３３０は通信経路１１０ａを利用して近傍にあるどの電力送信器３３０ａにも自らの存在を示すことができる。
（２）電力送信器３３０ａは通信経路１１０ａを通じて自らの存在を示し、そのアンテナ２０８または結束部２０４のうちの一つのみで送信を始めることがある。
（３）電力受信機３３０ｂは通信経路１１０ａからかすかな信号を受け取ったことを認識することがある。
（４）電力送信器３３０ａは他のアンテナ２０８または結束部２０４を、位相を初期値のゼロにして動作を開始させ、通信経路１１０ａを通じて電力受信機３３０ｂに信号の強度を送るように要求することができる。
（５）電力受信機３３０ｂは、受け取った信号が以前よりも強い、同様、または弱いことを示す信号を返信することができる。
（６）信号が以前よりも弱いまたは同様である場合、コントローラー３１０は結束部２４０における位相を（１／２）π増加させ、他の信号強度を送信するよう要求できる。
（７）ステップ５および６は全ての位相について繰り返される。
（８）信号強度の増加がみられない場合、この特定の結束部２４０の動作を終了させ、他の結束部が一連の作業において使用され、ステップ４から繰り返される。
（９）ステップ４から６は全てのエミッターの結束部が使用されている状態になるまで繰り返される。

第２の実施形態において、図２Ｂと図３Ｂに最も明瞭に示すように、それぞれのアレイ素子または結束部２０４は電力受信システム３３０ｂの中の校正送信器４６０から校正信号を受け取るように設定できる。それぞれのアレイ素子または結束部２０４はデータライン３０３を通じて、結束部２０４で検出され、受け取った校正信号を制御論理３１０に送ることができる。続いて、コントローラー３１０、コントローラー２０６または両方併用したコントローラーは、最適化された電力ビーム３０１を電力受信器３３０ｂに送り返すために、それぞれのアレイ素子または結束部２０４に対し、検出したこの素子の位相を送信位相として設定できる。実施形態１００ａと１００ｂのどちらにおいても、充電されるデバイス１０２と最初に通信を行うことなしにアレイが特定の位置または「ホットスポット」に電力を送信できるようにするために、構成メモリデバイスは制御論理３１０と通信可能な状態にすることができる。この特徴は、充電されるデバイス１０２が通信経路１１０ａまたは通信経路１１０ｂと通信を確立するための電力の残量がない場合に、充電されるデバイス１０２に電力ビーム３０１を送るのに好都合である。

典型的なアレイ１０１ａまたは１０１ｂは、ワイヤーのそれぞれの交点が一つの送信アンテナ２０４を有する、一辺およそ１メートルの３０×３０の格子状の網であることが可能である。アレイの格子１０１ａまたは１０１ｂは柔軟な／やわらかい素材で作られていることが望ましい。格子の素材が柔軟であることによって、使用者は、不連続な位相差を有する、平坦、一定間隔で配置されたアレイに通常生じる後方散乱および盲点を最小限にするために、マイクロ波アレイエミッター格子１０１ａまたは１０１ｂを不均一、同一平面状にない形態、すなわち、広がっているが平坦ではない形態で物理的に配置することができる。図１Ａと図１Ｂに示すように、アレイ１０１ａまたは１０１ｂが鉢植えの植物Ｓなどの支持構造物を覆うことができるくらいに十分柔軟であることにより、望ましい不均一、同一平面状にない形態を成すことができる。

この方法では、フェーズドアンテナは指向性を有し、よって受信デバイス１０２において受信できる、構造的なフェーズドビーム信号によって増幅を引き起こすため、逆二乗法に十分対応できる。その上、１０１ａまたは１０１ｂなどのフェーズドアレイを利用すると、パラボラアンテナ、八木アンテナ等の物理的に指向性のあるアンテナなど、さらに扱いにくく外観の悪いデバイスの使用を不要にする。加えて、環境に悪影響を与えないため、または他の場所に設置されているデバイスとの干渉を引き起こさないために、送電プロセスの効果によって、電磁（ＥＭ）信号が一面に広がる代わりに受信デバイスの近傍に電磁信号強度の多くが存在する状態にでき、送信に低電力を使用することができる。

一度信号が受信され、その電力が利用可能になると、アンテナから流れてくる約５．８０ＧＨｚ交流電流が直流電流に変換されてバッテリー３７０、電力蓄積キャパシタ、または同様のものを充電するプロセスが、そのプロセスを遂行できるより低電力の整流器によって行われる。これらの整流器は小領域のショットキーダイオードに基づくかまたは受信した信号と同じ位相の５．８０ＧＨｚ発信回路の共振を利用することができ、よってレクテナ３４０の整流器部分に使用されているダイオードの電力降下を克服する要となる電力を増強する。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、次の特許請求の範囲内のいずれの、および全ての実施形態を含む。

Claims (13)

1. 無線送電システムであって、
   制御論理回路および送電信号を発信する複数のマイクロ波アレイエミッターを有するフェーズドアレイアンテナを有するマイクロ波電力送信器であって、前記マイクロ波アレイエミッターは前記制御論理回路によって整合位相化されて、さらにサイドチャネル周波数で操作できる受信機を有する前記マイクロ波電力送信器と、
   レクテナとサイドチャネル周波数で操作できる受信機と、自動的に受け取った送電信号の強度をサイドチャネル周波数で電力送信器に送信する電力信号強度報告回路とを有する、充電されるデバイスと、
   送電信号の位相を調整して前記マイクロ波電力送信器から前記充電されるデバイスへの送電の効率を最大にするために、前記充電されるデバイスからの電力信号強度報告に応じて位相を変えおよび前記マイクロ波アレイエミッターを個別に選択的に始動させ、一方で前記充電されるデバイスの位置に関する情報を不要なものにする手段と
   を備えることを特徴とするシステム。
2. 前記マイクロ波アレイエミッターを不均一で、同一平面状にない形態で物理的に配置することができることを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
3. 前記マイクロ波電力送信器から発せられた前記送電信号の周波数が約５．８ＧＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
4. 前記制御論理回路が、前もって見積もった位相角増加分だけ、それぞれの前記順応位相エミッターの位相を変更する電気回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
5. 前記フェーズドアレイアンテナが互いに直交するように組まれたケーブルの網を含み、前記ケーブルは交差して前記マイクロ波アレイエミッターの結束部を定め、前記ケーブルのそれぞれは異なる位相角の送電信号の送信をそれぞれ割り当てて行う複数の送電線、および複数の送電線のうちの選択されたものを始動させる少なくとも一つの位相制御ラインを有することを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
6. 前記網は柔軟性のある素材で作られており前記ケーブル網が様々な形態の固体構造物を覆うことができることを特徴とする請求項５に記載の無線送電システム。
7. 充電されるデバイスと最初に交信することなしに前記フェーズドアレイアンテナが電力を特定の位置に送信できるようにするため、制御論理回路と通信可能な状態にある構成メモリデバイスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
8. 無線送電システムであって、
   制御論理回路およびマイクロ波送電のための複数のマイクロ波アレイエミッターを有するフェーズドアレイアンテナを有するマイクロ波電力送信器であって、前記マイクロ波アレイエミッターは前記制御論理回路によって整合位相化されていて、前記フェーズドアレイアンテナはさらに前記マイクロ波電力送信器と同じ周波数帯で信号を受け取る機能を有する前記マイクロ波電力送信器と、
   前記マイクロ波送電を受け取り整流するレクテナおよび前記周波数帯で作動する補正送信器を有する、充電されるデバイスと、
   アレイの位相を調整して前記マイクロ波電力送信器から前記充電されるデバイスへの前記マイクロ波送電の効率を最大にするための備えとして、前記充電されるデバイスからの前記補正送信の信号の電力信号強度に応じて前記位相を変え、前記マイクロ波アレイエミッターを個別に選択的に始動させ、一方で前記充電されるデバイスの位置に関する情報を不要なものにする手段と、
   を備えることを特徴とするシステム。
9. 前記エミッターを不均一で、同一平面状にない形態で物理的に配置することができることを特徴とする請求項８に記載の無線送電システム。
10. 前記マイクロ波電力送信器は周波数が約５．８ＧＨｚのマイクロ波電力を発信するように設定されていることを特徴とする請求項８に記載の無線送電システム。
11. 前記制御論理回路が、前もって見積もった位相角増加分だけ、それぞれの前記順応位相エミッターの前記位相を変更する電気回路を含むことを特徴とする請求項８に記載の無線送電システム。
12. 前記フェーズドアレイアンテナが互いに直交するように組まれたケーブルの網を含み、前記ケーブルは交差して前記マイクロ波アレイエミッターの結束部を定め、前記ケーブルのそれぞれは異なる位相角の送電信号の送信をそれぞれ割り当てて行う複数の送電線、および複数の送電線のうちの選択されたものを始動させる少なくとも一つの位相制御ラインを有することを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
13. 前記網は柔軟性のある素材で作られており前記ケーブル網が様々な形態の固体構造物を覆うことができることを特徴とする請求項１２に記載の無線送電システム。

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