JP3961291B2 - 増加出力電圧をもつワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の目的は、受信器がそれ自体に電源を有さない場合であっても、受信器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。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、速く回転する回転部に据えたトランスポンダにおいて上述のような要求がある。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。
【０００３】
従来技術のシステムでは、電力伝送のために、誘導による方法（近接する領域）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。
【０００４】
しかし、誘導による方式では、電力を発生し、取り込むコイルが広い空間を要し、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μ_０のε_０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。
【０００５】
本発明者によるドイツ国特許第１９７０２７６８号に記述された方法では、比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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法はトランスポンダ中の純粋なアナログ回路に基づいたものであり、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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この問題は請求項１にかかる装置により解決される。以下、該装置の機能を詳細に記述する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
送信器はパルス変調された高周波数の信号を発生する。パルス変調周波数は、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。
【０００９】
以下、実施例に基づきこの電力伝送システムについて説明する。図１において、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Ｓ１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Ｇ２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。
【００１０】
受信器ＥＭ１は、アンテナＡ２から信号を受け取り、検出器Ｄ１へ供給する。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ＤＣ−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。
【００１１】
ＤＣ供給電圧をクロックからよく分離するために、クロック信号の経路にバン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。
【００１２】
さらに、低周波数のコンバータクロックの電圧レベルは、インピーダンス変換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。
【００１３】
クロック信号の質が前述のフィルタを通した結果として適当であれば、送信器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。
【００１４】
受信器の回路を、図２の実施例により説明する。信号は受信アンテナのダイポ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。
【００１５】
同じ検出器の出力信号は、ダイオード１０２と減結合したバッファキャパシタ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ＤＣ−ＤＣコンバータに利用される。
【００１６】
コンバータクロックが高信号レベルである時、Ｒ１０１により供給されるクロ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。
【００１７】
コンバータの効率は適当なフィードバックによりさらに高められる。特に好適なのは、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。
【００１８】
インダクタンスＬ１００により発生したパルスの高い険しさにより、伝送信号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。
【００１９】
もちろん、半導体素子の理論的使用、例えば、少なくとも検出器またはバッフ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。
【００２０】
さらに、変換器の迅速なスタートを保証するために、クロック信号の周波数と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。
【００２１】
さらに、本発明の特に好適な態様において、論理回路に必要な作動電圧に達した後、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。
【００２２】
逆チャンネルの作動のために、アンテナのインピーダンスの特別な制御をす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（backscatter 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。
【００２３】
この逆チャンネルは同時に例えば測定値や識別コード等のフィードバックに使用され得る。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)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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