JP2021125983A - ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成であり、給電電波を大電力とした場合の周囲機器への干渉を抑制できるワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレス給電システムの親機１００は、子機２００への給電を、互いに時間分割された通信・指向性制御期間と給電期間とによって行うものであり、給電期間中の給電電波の送信電力を、伝搬路制御期間中の通信用信号の送信電力よりも大きくしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロ波を用いてワイヤレス給電を行うワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムに関する。

近年、非接触で電力供給を行うワイヤレス給電が様々な分野で実用されている。特に、マイクロ波を用いたワイヤレス給電（以下、マイクロ波給電）は、長距離の給電が可能であり、例えばＲＦＩＤ（radio frequency identifier）システムなどで好適に使用できる。

マイクロ波給電においては、給電距離のさらなる長距離化に向けて、送信電力の大電力化が求められる。一方で、送信電力の大電力化によっては、給電電波による周囲機器への干渉対策が課題となる。懸念される干渉は、以下の３つである。
（１）隣接チャネル漏洩電力の増加により、同一周波数帯の他チャンネルを用いる他の無線機（９２０ＭＨｚ帯の場合、ＲＦＩＤ）との混信を引き起こす。
（２）隣接するラインのワイヤレスセンサシステムとの混信を引き起こす。
（３）他の生産設備の誤動作を引き起こす。

また、マイクロ波給電においては、親機−子機間で通信を行い、親機のアンテナの振幅と位相を最適化してアンテナの指向性を制御（伝搬路制御）することで、給電効率を向上できることが知られている。このとき、伝搬路制御における親機−子機間の通信では、中心周波数に変調がかかり、電力スペクトラムが拡がる。大電力時の電力スペクトラムの拡がりは、隣接チャネルとの干渉を引き起こし、他システムの障害につながるリスクがある。

尚、特許文献１に、通信用信号と給電用の給電電波とで使用する周波数帯を異ならせる技術が開示されている。すなわち、通信用信号には２．４Ｇｈｚの周波数帯を行い、給電電波には（２．４Ｇｈｚよりも混雑の少ない）５ＧＨｚの周波数帯が用いられている。

特開２０１９−９７３０２号公報

特許文献１では、給電電波を混雑の少ない５ＧＨｚの周波数帯とすることで、給電電波を大電力としても、給電電波による周囲機器への干渉を抑制できると考えられる。しかしながら、２種類の周波数帯を使用することで、無線通信のためのＲＦ回路が２系統必要となり、装置構成が複雑化するといった問題がある。

また、伝搬路制御には、親機−子機間の伝搬路特性を推定（伝搬路推定）し、推定した伝搬路特性に最適となるようにアンテナ指向性を調整する方法と、親機が子機の方向を推定（方向推定）し、推定した子機の方向に向けてアンテナ指向性を調整する方法とがある。そして、伝搬路推定であれば、遮蔽物などの影響で、子機への最適な給電方向と子機の方向が異なる場合でも、子機への最適な給電方向で給電ができることから、アンテナ指向性の最適化効果は伝搬路推定の方が優れている。ここで、電波の伝搬経路は周波数により異なるため、通信用信号と給電用信号で同一周波数でなければ伝搬路推定ができない。このため、通信用信号と給電電波とで周波数帯が異なる特許文献１の方法では、伝搬路推定を行うことができないといった問題もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、給電電波を大電力とした場合の周囲機器への干渉を抑制できるワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様であるワイヤレス給電装置は、ワイヤレス給電システムの親機として使用されるワイヤレス給電装置であって、指向性を調整可能なアンテナを有し、ワイヤレス給電システムの子機への給電を、互いに時間分割された伝搬路制御期間と給電期間とによって行い、前記伝搬路制御期間では、前記子機との通信を行って前記アンテナの指向性を調整し、前記給電期間では、前記伝搬路制御期間に調整された前記アンテナの指向性を維持した状態で給電電波を送信するものであり、前記伝搬路制御期間中の通信用信号および前記給電電波を、同一の前記アンテナによって送信し、前記給電期間中の給電電波の送信電力を、前記伝搬路制御期間中の通信用信号の送信電力よりも大きくしていることを特徴としている。

上記の構成によれば、伝搬路制御期間と給電期間とを時間分割することで、伝搬路制御期間中は送信電力を抑えることで干渉を抑制し、給電期間中は電力スペクトラムの拡がりを抑制しながら送信電力を大きくして、給電電波を大電力とした場合の周囲機器への干渉を抑制できる。また、伝搬路制御期間と給電期間とで送信電力を異ならせるにあたっては、無線通信のためのＲＦ回路は１系統でよく、装置構成が複雑化することも回避できる。

また、上記ワイヤレス給電装置は、前記給電電波として、前記通信用信号のキャリア信号のみを送信する構成とすることができる。

上記の構成によれば、給電期間の給電電波は無変調の信号となるため、送信電力を大きくしても電力スペクトラムが広がらないため、隣接する周波数チャネルに干渉することがなく、隣接チャネルを使用する他の周囲機器（受信機）に影響を与えない。また、仮に他の周囲機器に電波が届いたとしても、無変調の信号であるため、機器の誤作動などを引き起こすことはない。

また、上記の課題を解決するために、本発明の第２の態様であるワイヤレス給電システムは、親機から子機へのワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムであって、前記親機は、上記記載のワイヤレス給電装置であることを特徴としている。

また、上記ワイヤレス給電システムは、前記伝搬路制御期間には、前記親機と前記子機との間で双方向通信を行い、前記給電期間には、前記親機から前記子機へ片方向で電力伝送する構成とすることができる。

また、上記ワイヤレス給電システムは、前記伝搬路制御期間における前記親機と前記子機との間の通信は、パッシブ通信である構成とすることができる。

上記の構成によれば、パッシブ通信では子機の受信感度が低いため、隣接した同一システムの親機からの電波が届かず、隣接するシステム同士の干渉を防止することができる。

本発明のワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムは、簡易な構成で、給電電波を大電力とした場合の周囲機器への干渉を抑制できるといった効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るワイヤレス給電システムで用いられる親機の基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るワイヤレス給電システムで用いられる子機の基本構成を示すブロック図である。 親機から送信される信号の電波強度を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るワイヤレス給電システムにおける給電方法を示すフローチャートである。 送信増幅部の一構成例を示すブロック図である。 送信増幅部の他の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るワイヤレス給電システム（以下、本システム）で用いられる親機（ワイヤレス給電装置）１００の基本構成を示すブロック図である。図２は、本システムで用いられる子機２００の基本構成を示すブロック図である。本システムでは、１台の親機１００に対して複数の子機２００が使用可能である。

親機１００は、図１に示すように、処理部１０１、ＤＡＣ（Digital/Analog Converter）１０２、キャリア信号発振部１０３、第１ミキサ１０４、送信増幅部１０５、送受分離部１０６、受信増幅部１０７、第２ミキサ１０８、ＡＤＣ（Analog/Digital Converter）１０９、およびアンテナ１１０を有している。

処理部１０１は、親機１００全体を制御する主制御部であり、特に、給電時における通信・指向性制御を行う機能を有している。ＤＡＣ１０２は、処理部１０１が生成したデータをデジタル／アナログ変換する。キャリア信号発振部１０３は、キャリア信号（搬送波）を生成する。ここでのキャリア信号は、マイクロ波信号である。第１ミキサ１０４は、アナログ変換されたデータをキャリア信号に合成する。第１ミキサ１０４の出力は、送信増幅部１０５で増幅され、送受分離部１０６およびアンテナ１１０を介して子機２００へ送信される。

送信増幅部１０５は、処理部１０１からの制御により増幅率を切り替えることができるようになっている。これにより、送信増幅部１０５からの出力電力を２個以上、または連続的に可変することができる。また、アンテナ１１０は、ｎ個の素子アンテナを有するアレーアンテナであり、素子アンテナの振幅・位相を電気的に制御することで、アンテナ指向性の制御が行える。アンテナ１１０の指向性制御は、処理部１０１に含まれるアンテナ制御部１０１ａによって行われる。

本システムでは、親機−子機間の通信において、親機１００も子機２００からの通信用信号を受信する。子機２００からの通信用信号（受信信号）は、アンテナ１１０および送受分離部１０６を介して受信増幅部１０７に送られ、受信増幅部１０７にて増幅される。送受分離部１０６は、親機１００から送信する送信信号と、親機１００が受信する受信信号との経路の分離を行う。

受信増幅部１０７で増幅された受信信号は、第２ミキサ１０８において、キャリア信号発振部１０３で生成されるキャリア信号と合成される。ここでのキャリア信号の合成は、直交復調のためである。すなわち、直交復調で抽出した振幅情報と、位相情報とを用いて伝搬路推定が行われる。直交復調後にＬＰＦで高周波成分がカットされる。第２ミキサ１０８の出力（受信信号とキャリア信号との合成波）は、ＡＤＣ１０９にてアナログ／デジタル変換された後、処理部１０１に入力される。処理部１０１は、入力された受信信号に基づき、通信・指向性制御を行う。
子機２００は、図２に示すように、マッチング回路２０１、復調回路２０２、整流回路２０３、変調回路２０４、制御部２０５、負荷部２０６およびアンテナ２０７を有している。

マッチング回路２０１は、アンテナ２０７と復調回路２０２および変調回路２０４とのインピーダンスを整合する。復調回路２０２は、親機１００から受信する受信信号（通信用信号）を復調する。整流回路２０３は、親機１００から受信する受信信号（給電電波）を直流に変換し、他の処理部へ動作電力として供給する。図２では、整流回路２０３からの給電ラインを破線矢印にて示している。変調回路２０４は、子機２００が送信する送信信号を変調する。制御部２０５は、子機２００の全体制御および負荷部２０６の制御を行う。負荷部２０６は、所定の機能を有する機能部（例えばセンサ）であり、制御部２０５との応答によって動作するように各種入出力機能を有している。

続いて、本システムにおける子機２００への給電方法について図３および図４を参照して説明する。図３は、親機１００から送信される信号の電波強度を示すグラフである。図４は、本システムにおける給電方法（親機１００側での制御）を示すフローチャートである。

親機１００から子機２００への給電は、図３に示すように、互いに時間分割された通信・指向性制御期間（伝搬路制御期間）と給電期間とによって行われる。尚、給電期間と通信・指向性制御期間とは必ずしも連続している必要はない。子機２００の起動は、給電期間中に蓄積した電力を使用して起動する場合や、通信信号から通信用のみの電力を再生して起動する場合もある。

通信・指向性制御期間では、親機１００は、送信増幅部１０５の増幅率を通信用レベル（低電力）に設定する（Ｓ１）。

通信・指向性制御期間では、親機１００と子機２００との間で双方向通信が行われ、この通信結果に基づいて伝搬路制御が行われる。すなわち、親機１００は子機２００へ通信用信号を送信し（Ｓ２）、子機２００からの返信信号を受信する（Ｓ３）。そして、子機２００からの返信信号に基づいて伝搬係数を推定し、送信重みを算出する（Ｓ４）。送信重みが算出されると、この算出結果に基づいて、アンテナ１１０における素子アンテナの振幅・位相が制御され、アンテナ１１０の指向性が最適化される（伝搬路制御）。アンテナ指向性が最適化されることで、その後の給電期間における給電効率を向上させることができる。尚、このような伝搬路制御の方法は公知である。また、図３では、子機２００を起動させるための給電期間が最初に設けられているが、この最初の給電期間では、アンテナ１１０の指向性の最適化は行われていない。

伝搬路制御が終了すると、通信・指向性制御期間から給電期間に切り替えるため、親機１００は、送信増幅部１０５の増幅率を給電用レベル（高電力）に設定し（Ｓ５）、子機２００へ給電電波を送信する（Ｓ６）。給電期間では、親機１００からの子機２００への一方向の電波送信により電力伝送が行われる。また、給電期間における親機１００が送信する給電電波は、無変調の信号である。すなわち、給電期間において、親機１００の処理部１０１は、キャリア信号に重畳させるデータを生成せず、キャリア信号のみが増幅されて給電電波として送信される。

本システムでは、給電期間と通信・指向性制御期間とで、親機１００の送信電力が異なっており、給電期間の送信電力の方が大きくされている。これにより、給電期間中は、送信電力を大きくすることで給電距離の長距離化を図ることが可能となる。給電期間の送信信号は無変調の信号であるため、送信電力を大きくしても電力スペクトラムが拡がることなく送信を行うことができ、本システム外の隣接周波数チャネルを使用する他の機器（受信機）との干渉を回避できる。また、仮に他の機器に電波が届いたとしても、無変調の信号であるため、機器の誤作動などを引き起こすことはない。

一方、通信・指向性制御期間は、送信電力を下げることで電力スペクトラムの拡がりを抑え、電波干渉を抑制することができる。給電期間と通信・指向性制御期間では、親機１００からの送信において同一のアンテナ１１０を使用するため、送信電力が異なっていても、通信・指向性制御期間に調整（最適化）したアンテナ指向性はその後の給電期間において維持される。

本システムにおける親機１００は、図１に示されているように、無線通信のためのＲＦ回路（ＤＡＣ１０２、キャリア信号発振部１０３、第１ミキサ１０４、送信増幅部１０５など）は１系統であり、その装置構成は簡易なものとなる。但し、給電期間と通信・指向性制御期間とで親機１００の送信電力を異ならせるため、親機１００では、送信増幅部１０５における増幅率を切り替える。すなわち、送信増幅部１０５は、出力を２個以上、または連続的に可変する構成が必要である。このような送信増幅部１０５の構成例を図５および図６を参照して説明する。

図５に示す例では、送信増幅部１０５は、プリアンプ１０５ａ、パワーアンプ１０５ｂおよび可変減衰器１０５ｃを直列に接続して構成される。送信増幅部１０５に入力される信号（ＲＦ ｉｎ）は、プリアンプ１０５ａおよびパワーアンプ１０５ｂにて電力が増幅され、可変減衰器１０５ｃによって電力が減衰される。送信増幅部１０５では、可変減衰器１０５ｃの減衰量を処理部１０１からの制御信号によって調整することにより、出力する信号（ＲＦ ｏｕｔ）の電力を多値、または連続的に可変することができる。または、可変減衰器１０５ｃを用いる代わりに、直接的にプリアンプ１０５ａ、またはパワーアンプ１０５ｂの増幅率を調整することにより、出力信号の電力を多値または連続的に可変できる構成であってもよい。

図６に示す例では、送信増幅部１０５は、パワーディバイダ１０５ｄ、複数のスイッチ素子を含むスイッチ回路１０５ｅ、複数のパワーアンプ１０５ｆ、およびパワーコンバイナ１０５ｇによって構成される。パワーディバイダ１０５ｄは、送信増幅部１０５に入力される信号（ＲＦ ｉｎ）の電力を複数の信号線に等分割して出力する。パワーディバイダ１０５ｄから出力される複数の信号線のそれぞれには、パワーアンプ１０５ｆが接続されている。また、パワーディバイダ１０５ｄから出力される複数の信号線には、スイッチ回路１０５ｅに含まれるスイッチ素子が接続されている。但し、パワーディバイダ１０５ｄから出力される全ての信号線にスイッチ素子が接続されている必要はなく、一部の信号線はスイッチ素子が接続されていなくてもよい。スイッチ回路１０５ｅは、スイッチ素子のオン・オフを処理部１０１からの制御信号によって切り替え可能となっており、パワーアンプ１０５ｆによって増幅する信号数を切り替えることができる。パワーコンバイナ１０５ｇは、複数のパワーアンプ１０５ｆからの出力を合波して出力する信号（ＲＦ ｏｕｔ）を生成する。すなわち、送信増幅部１０５は、処理部１０１からの制御信号によって増幅する信号数を切り替え、出力する信号（ＲＦ ｏｕｔ）の電力を多値に可変することができる。

本発明に係るワイヤレス給電システムは、例えば、工場などの生産ラインで使用されるセンサシステムにおいて好適に使用できる。工場などの生産ラインでは、各種ロボット（溶接ロボット、組立ロボットなど）の動作制御を行うために、センサシステムが必要である。このセンサシステムは、親機である給電装置から子機であるワイヤレスセンサ（負荷部としてセンサを有する）にワイヤレス給電を行う。給電を受けたワイヤレスセンサは、その電力によって所定のセンシング動作を行う。

上述したように、本システムは、給電期間中は送信電力を大きくしながらも、通信・指向性制御期間は送信電力を下げることで隣接する周波数チャネルとの電波干渉を抑制することができる。このため、工場などで同一周波数帯の無線機器（ＲＦＩＤなど）が使用されていても、このセンサシステムを導入することができるようになる。

また、本システムにおいて、通信・指向性制御期間における親機−子機間の通信は（、データ転送のコネクションを子機２００が発信する）パッシブ通信とすることが好ましい。パッシブ通信は、一般的にアクティブ通信に比べて子機の信号受信感度が低く、隣接する生産ラインに同じセンサシステムを導入した場合に干渉しない。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１００ 親機（ワイヤレス給電装置）
１０１ 処理部
１０２ ＤＡＣ
１０３ キャリア信号発振部
１０４ 第１ミキサ
１０５ 送信増幅部
１０６ 送受分離部
１０７ 受信増幅部
１０８ 第２ミキサ
１０９ ＡＤＣ
１１０ アンテナ
２００ 子機
２０１ マッチング回路
２０２ 復調回路
２０３ 整流回路
２０４ 変調回路
２０５ 制御部
２０６ 負荷部
２０７ アンテナ

Claims (5)

1. ワイヤレス給電システムの親機として使用されるワイヤレス給電装置であって、
   指向性を調整可能なアンテナを有し、
   ワイヤレス給電システムの子機への給電を、互いに時間分割された伝搬路制御期間と給電期間とによって行い、前記伝搬路制御期間では、前記子機との通信を行って前記アンテナの指向性を調整し、前記給電期間では、前記伝搬路制御期間に調整された前記アンテナの指向性を維持した状態で給電電波を送信するものであり、
   前記伝搬路制御期間中の通信用信号および前記給電電波を、同一の前記アンテナによって送信し、前記給電期間中の給電電波の送信電力を、前記伝搬路制御期間中の通信用信号の送信電力よりも大きくしていることを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 請求項１に記載のワイヤレス給電装置であって、
   前記給電電波として、前記通信用信号のキャリア信号のみを送信することを特徴とするワイヤレス給電装置。
3. 親機から子機へのワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムであって、
   前記親機は、請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置であることを特徴とするワイヤレス給電システム。
4. 請求項３に記載のワイヤレス給電システムであって、
   前記伝搬路制御期間には、前記親機と前記子機との間で双方向通信を行い、
   前記給電期間には、前記親機から前記子機へ片方向で電力伝送することを特徴とするワイヤレス給電システム。
5. 請求項３または４に記載のワイヤレス給電システムであって、
   前記伝搬路制御期間における前記親機と前記子機との間の通信は、パッシブ通信であることを特徴とするワイヤレス給電システム。

Images