JP4538339B2 - コヒーレントな電磁線によりエネルギーを伝送する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、送信器と受信器とを使用してコヒーレントな電磁線によりエネルギーを伝送する方法および装置に関するものである。

直接に機械的接触および／または電気的接触をせずに作業を行なうこの種の方法および装置はすでに公知であるが、実際には短距離で少量のエネルギーを伝送するために使用されているにすぎない。

本発明の課題は、遠方の移動ユニットに長距離にわたってエネルギーを自動的に供給するための無線エネルギー伝送が簡単に可能であり、しかも容易に、確実に、自在に使用可能であるように前記方法および装置を構成することである。

本発明は、上記課題を解決するため、方法においては、エネルギーを伝送し、宇宙飛行体に設けた移動型受光器と送信ユニットとの方向を調整するための方法であって、エネルギーを、調整された有向性のレーザービームとして送信ユニットから前記受光器へ向けて送信するようにした前記方法において、エネルギーを伝送する入射ビームの一部を前記受信器から送信ユニットへ反射させて戻し、この反射ビームから送信ユニットの方向を調整するための情報を導出して送信ユニットのための方向調整ユニットと接続されている制御ユニットへ伝送すること、前記受信器の現在位置のまわりでの該受信器の運動をも検出し、予め設定可能なアルゴリズムを用いてレーザービームをして前記受信器に配置されているソーラーセルを通過せしめ、その際レーザービームの一部を、ソーラーセルの周囲にリング状に配置されている逆反射器に接するように誘導するとともに、互いに垂直な２つの方向で且つ異なる周波数で変調と評価とを行なうことにより、前記方向の調整を前記２つの方向で行なうことを特徴とするものである。

また、装置においては、送信ユニットが制御ユニットと位置調整装置とを介して制御可能なビーム偏向用のミラーを有していること、受信器がフォトセル装置をリング状に取り囲む反射器を有していることを特徴とするものである。

本発明の有利な構成では、エネルギー受信フィールドを入射エネルギービームに対し最適に方向調整するための自動方向調整ユニットが受信器に設けられている。

本発明の有利な構成に従ってレーザービームを変調することにより、受信器の運動が分析され、ビームはトランスミッター装置を介して追従制御される。したがって本発明による制御（反射したビームの強度を測定することを基礎としている）により、受信器が水平方向にも鉛直方向にも移動していてもビームの追従が可能である。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図面に図示した装置では、レーザーユニット１はエネルギー源として用いられる。そのレーザービームはレーザーユニット１内に組み込まれている発散光学系により拡幅され、その後レーザービームは偏向ユニットに進入する。この偏向ユニットは３つの回転可能なユニット９，１０ａ，１０ｂから成っている。ユニット１０ａ，１０ｂと駆動ユニット３とを固定したユニット９は駆動ユニット２と駆動リング６とを介して軸線ａのまわりに回転する。軸線ａはレーザーから放出されるレーザービームの光軸と同一である。ユニット９内には４５゜の角度で偏向ミラー４が固定されている。偏向ミラー４は光軸ａに対し垂直な方向ｂへレーザービームを偏向させる。軸線ｂ（ユニット９の回転と軸線ａとにより任意の方向に選定できる）は、偏向ミラー４，５の間にあるレーザービームの光軸であり、且つユニット１０ａ，１０ｂが駆動ユニット３および駆動リング７，８によりユニット９に対し相対的に回転するときの該ユニット１０ａ，１０ｂの回転軸線である。

ユニット１０ａ内に設けたミラー５は基本位置で軸線ｂに対し４５゜の角度で配置され、レーザービームを送光ユニットから離れる方向へ偏向させる。ミラー５は２つの電気機械的な位置調整要素１１と１２（たとえばピエゾアクチュエータ）を介して軸線ｂに対し垂直な２つの軸線のまわりに傾動する。この傾動運動は軸線ａおよび軸線ｂのまわりでの回転よりも調整範囲は小さいが、調整時間は短い。したがって、軸線ａおよび軸線ｂのまわりでの回転により大きな偏向角度でレーザービームの緩速な運動が実現されるが、しかし高速でより小さな運動は位置調整要素１１と１２を用いて実施される。軸線ａまたはｂのまわりでの回転は３６０゜またはそれ以上である。ユニット１０ａと同期してユニット１０ｂも軸線ｂのまわりに回転する。ユニット１０ｂには、受光器で反射して戻ってくる光を受光する検出ユニット（たとえば放物面鏡２８とビーム検出器２９とから成る）が組み込まれている。ユニット１０ａと１０ｂが同期して回転することにより、検出ユニットはレーザービームが送光ユニットを離れる方向に常に方向づけられている。

圧電性結晶駆動をベースにしたこの種の微調整要素の構成の詳細を図２に示す。図２からわかるように、ミラー４または５は点Ａのまわりに回動可能に保持されている。この図では、図を簡潔にするため圧電性結晶９のみを図示した。圧電性結晶９は２つのレバーアーム１３と１４の間に配置され、この場合一方のレバーアーム１３はミラーを直接偏向させるのにたいし、他方のレバーアーム１４により位置調整装置１５を介して圧電素子全体を位置調整し予め締め付け固定させることができる。１つのミラーのために設けられている２つの圧電性結晶のための懸架機構全体はひずみの少ない固有のハウジング１６内に収納されている。

移動型受光器（たとえば宇宙飛行体に配置されるが、ここで説明している実施形態の場合のように探査車両１７に配置してもよい）は送光器から任意の距離で配置されるが、送光器の直接の視野内に設けられる。この受光器は図３と図４からわかるようにレーザービームの受光に用いる回転調節可能なトップ（載置体）１８を有している。受光器１８はソーラーセル面１９と、該ソーラーセル面１９を取り囲み、レーザービームを送光器のほうへ反射させて戻らせる面２０とから構成されている。この場合ソーラーセルはレーザービームの入射光を受光器のエネルギー供給に利用される電流に変換する。ビームプロフィールに基づきレーザービームの一部は常に周設した反射器リング２０にぶつかるので、レーザービームのうちソーラーセル１９に当たらなかった部分は反射器リング２０により反射されて戻される。レーザービームのサイズはソーラーセル１９の直径よりも小さいように選定されているので、提供される光エネルギーの大部分は電気エネルギーへの変換に利用され、非常にわずかな部分のみが反射するよう保証している。

さらに、ここで説明している実施形態では、図４と図５に図示したように、受光器１８にはアライニングユニットが組み込まれている。アライニングユニットは、受光器がその両横軸により入射ビームに対し常に直角になるよう保証する。このアライニングユニットの主要部材は、ソーラーセル１９の中心に設けた小さな穴２１の背後に配置されている方向検知センサ２２である。方向検知センサ２２はその詳細を図５に図示したが、ビームパイプ２３の端部に配置されているフォトダイオード２４から成っている。この方向検知センサ２２を用いると、載置体１８の両軸線がビームに対し垂直になっているかどうかを常に測定することができる。その下流側に配置されている評価ユニット２５においてずれが確定されると、該評価ユニット２５に組み込まれている電子制御装置によりモータ２６と駆動要素２７とを介して載置体１８の方向性が後調整される。

受光器から反射して戻ってきた光成分は送光ユニットにおいて法物面鏡２８を介して捕獲され、中央のセンサ２９と特殊なフィルタとを介して、受光器のソーラー面上での光の位置に関する情報信号に変換される。この情報信号は、送光器の制御ユニット３０において、ミラー４と５を最適な方向に設定し後調整するために使用する。

この場合制御コンピュータ３０は、捕獲された反射信号を基にしてカスケード制御により、粗移動用のモータ２、３と、それぞれの回転点Ａのまわりでの両ミラー４，５の微細駆動運動用の圧電性結晶９，１０および１１，１２とを制御し、このようにしてシステム全体を後調整する。

送光ユニットおよび受光ユニットとともにさらに制御プログラムが設けられている。制御プログラムは送光ユニットから移動型受光ユニットへの自動エネルギー伝送の手続き段階全体を維持する。この制御プログラムは実質的に２つの部分から成っており、その１つは探索アルゴリズムであり、探索アルゴリズムは受光ユニットの探索と発見とを広範囲で可能にする。もう１つは追跡アルゴリズムで、追跡アルゴリズムは発見した受光ユニットを長時間にわたって正確に追跡し、したがってエネルギーのコンスタントな供給を可能にする。

探索モードでは、当初送光ユニットのモータ・トランスミッションユニットを使用して、弱くなったレーザービームにより逆反射後の目標領域を広範に逐次スキャンする。このような反射を検知すると、探索モードにおいて最後の反射ポジションの近接範囲を正確にスキャンし、その際反射器リング２０の中心円Ｒ_ｍを求める。この場合、ビームは圧電性結晶９，１０および１１，１２による微細制御を介して位置決めされる。これは２段階の手続きで行なわれ、すなわち第１段階で３×３マトリックスの形態で探索ラスタを測定し、その際光強度が最も強いポジションを特定して新規のスタート点として選定する（図６を参照）。このプロセスを複数回反復する。次の第２段階ではリングの形状を検出し、よってソーラー面１９の中心位置を検出する。このアルゴリズムを図７を用いて説明する。出発点を起点として複数回の探索段階（ここでは一例として３回の探索段階を示した）をほぼ同じ方向で実施し、それぞれの段階（ステップ）ごとに反射信号強度を測定する。最も強い信号値を持ったステップ方向を新規の主分析方向とみなし、このプロセスをリング反射体の輪郭が完全に検知されるまで反復する。個々のポジションを基礎にして、張られた面の重心を算出することによりこの面の中心を特定することができ、したがって送光ビームをリング２０の中心にあるソーラー面１９へ正確に案内することができる。この方法は、ソーラーセルの探索と検出のために必ずしも受光ユニットが予め放射方向に対し垂直に調整されている必要はなく、傾斜位置も確実に検出され測定されるように設定されている。

これとは択一的に、４つの異なる基本アルゴリズムを設けて、発見した測定される受光ユニットに対し送光ビームを確実に追従させるようにしてもよい。これに関し以下に詳細に説明する。

第１の方式（ランダムウォークRandom Walkともいう）では、スタートポジションからのレーザービームの位置を小さなステップだけ任意の方向へ変化させて、受光器により反射した光を用いてこのステップが改善を意味するか、悪化を意味するかを決定する。悪化の場合にはスタートポジションへ戻り、改善の場合には新たな位置を新規のスタートポジションとして維持する。次に新たなステップで任意の方向においてプロセスを続行する。位置の交替が改善になったか悪化になったかの判定は、たとえば反射した光の全強度を介して決定することができ、レーザービームの位置がソーラーセル２１の中心に近ければ近いほど少ない光が反射器リング２０に当たって反射する。或いは、たとえば「変調方式」により決定することもでき、すなわち二重周波数を検出することにより決定することもできる。これを以下では固有方式と呼ぶことにする。

第２の「重心方式」と呼ばれる方法では、レーザービームの現在のポジションを中心として設定する。中心を設定した時点で、長さが同じで方向が異なる少なくとも３つのベクトルを選定する。方向は、図８において４つのベクトルに対し図示したように、水平で垂直な軸線に対し軸対称であるように選定するのが有利である。次に各ベクトル方向にビームを位置決めし、各終端点における信号強度を特定する。各ポジションを一度測定した後、重心の算出を介して個々のベクトルをその信号強度により互いに重み付けする。結果として新たなベクトルが生じ、この新たなベクトルは最も強い強度の方向へ指向し、その量はずれの距離を表わす量である。この新たなベクトルを用いて新たな中心を特定する。この方法はさらに最適化することができ、すなわちすでに個々の測定後の時点で新しいベクトルと古いベクトルとから修正ステップを特定することにより最適化を行なう。この最適化によりシステムの反応力が向上するとともに、修正をサイクルが完全に終了した後に行なうのではなく、すでに各測定を行なった後に簡単に行なうので、方向の変化が滑らかになる。

第３のいわゆる「サークル（円）方式」では、放射方向において２番目のミラー５に対し、水平方向において周波数ｆの変調を行い、鉛直方向において同じ周波数で９０度位相がずれた変調を行う。これによりミラー５は円運動を実施し、レーザービームは中心のまわりで変調される。圧電性結晶において参照電圧を測定することにより、ミラー５がどのような角度でまっすぐに立っているかを検出することができる。この時点で円通過を長時間連続的に正確に測定する。このとき反射信号は図９に図示したように方向に関し正弦状の輪郭を描く。振幅が大きければ大きいほど、ビームは反射フィルム上で中心から離れている。参照信号との比較により、個々の位相に方向を割り当て、強度が最も弱い方向へ調節して、ソーラー面の中心に位置するようにする。

第４のいわゆる「変調方式」では、レーザービームの位置ｘをその中心ｘ_Ｍのまわりに時間ｔに依存して変調周波数ｆでｘ＝ｘ_Ｍ＋ｘ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）にしたがって変調させる。図１０に図示したように、レーザービームの一部は常に反射リング２０に当たるので、反射した光は周波数ｆとその高調波で変調されている。図１０は反射した光の強度と受光器上でのレーザービームの位置との関係を示したものである。ｘ_Ｍが正確にフォトセル１９の中心にあり、ｘ_０がフォトセル１９の半径よりも小さければ、振動通過の際にレーザービームの部分領域が反射器リング２０の右側にも左側にも当たる。反射した光は二重周波数２ｆで変調されている。ｘ_Ｍがフォトセル１９の中心から離れていればいるほど、２ｆの成分は小さくなる。というのは、反射器リング２０の片側に当たるレーザービームの量が少なくなっていくからである。ｘ_Ｍが正確にフォトセル１９のエッジ上にあれば、レーザービームは振動過程の際に半分の時間でフォトセル１９を通過し、他の半分の時間で反射器リング２０を通過する。この時点で、反射した光は周波数ｆだけで変調されており、周波数２ｆの成分はない。レーザービームが反射器リング２０の中心半径（図６のＲ_Ｍ）に対してずれている必要がある場合には、反射した光に周波数２ｆの強い成分は発生しない。しかしこの成分はフォトセルの中心にある位置ｘ_Ｍに対し１８０゜位相がずれている。というのは、振動の逆転点においてビームが反射性の少ない構造に当たるからである。

このようにして、周波数２ｆの成分の大きさと位相とから、レーザービームの位置ｘ_Ｍをフォトセル２０の中心と一致させることができる。制御回路に対してはたとえばロック・イン増幅器或いはフーリエ分析器が挙げられる。

変調方式はディメンションに限定されない。たとえばミラー５はたとえば水平方向および鉛直方向において２つの異なる周波数ｆ_１およびｆ_２で変調させることができる。有利には、レーザービームの位置がソーラーセルの中心からいかにずれているかを反射した光の周波数分析で正確に認識できるようにするため、両周波数が著しく異なっており、且つ非合理的な比に選定されているのがよい。

このようにして、どの方式においても、最大エネルギー伝送をも保証する装置の最適なオリエンテーションが得られる。

送信ユニットの構成を示す図である。 図１の送信ユニットの詳細図である。 受信器の概略正面図である。 図３の受信器の背面図である。 図３および図４の受信器の後調整機構の概略図である。 反射器を見つけ出すための方法を説明する図である。 反射器リングを検知する過程の説明図である。 レーザービームを追従制御する方法の説明図である。 他の追従制御方法の説明図である。 空間的な変調に依存した変調周波数の基本成分の発生を説明する図である。

符号の説明

１ レーザーユニット
２ 駆動ユニット
３ 駆動ユニット
４ 偏向ミラー
５ ミラー
６ 駆動リング
１９ ソーラーセル
２０ 反射器リング

Claims (10)

1. エネルギーを伝送し、宇宙飛行体に設けた移動型受信器と送信ユニットとの方向を調整するための方法であって、エネルギーを、調整された有向性のレーザービームとして送信ユニットから前記受信器へ向けて送信するようにした前記方法において、
   エネルギーを伝送する入射ビームの一部を前記受信器から送信ユニットへ反射させて戻し、この反射ビームから送信ユニットの方向を調整するための情報を導出して送信ユニットのための方向調整ユニットと接続されている制御ユニットへ伝送すること、
   前記受信器の現在位置のまわりでの該受信器の運動をも検出し、予め設定可能なアルゴリズムを用いてレーザービームをして前記受信器に配置されているソーラーセルを通過せしめ、その際レーザービームの一部を、ソーラーセルの周囲にリング状に配置されている逆反射器に接するように誘導するとともに、互いに垂直な２つの方向で且つ異なる周波数で変調と評価とを行なうことにより、前記方向の調整を前記２つの方向で行なうこと、
   を特徴とする方法。
2. レーザービームの変調を介して前記受信器の現在位置を求めることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. レーザービームが逆反射器をランダム・ウォーク方式で通過することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. レーザービームが逆反射器を重み付けランダム・ウォーク方式で通過することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 周波数ｆをもったレーザービームの方向を変調し、且つ反射ビームの周波数成分２ｆを評価することで方向の調整を行なうことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. レーザービームが２００ナノメータと１０μｍの間の波長範囲にあることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. 送信ユニットのレーザービーム出口側にレーザービーム偏向用のミラー（５）を設け、該ミラー（５）に、レーザービームの光軸（ｂ）のまわりでの緩速回転運動と、前記光軸（ｂ）に対し垂直な２つの軸線のまわりでの高速傾動運動とを実施させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. 方向調整可能なレーザービームを送信する送信ユニットと、入射ビームを検知する受信器とを備えた、請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置において、
   送信ユニットが制御ユニット（３０）と位置調整装置（２，３，６−８）とを介して制御可能なビーム偏向用のミラー（４，５）を有していること、
   受信器がフォトセル装置（１９）をリング状に取り囲む反射器（２０）を有していること、
   を特徴とする装置。
9. ビーム偏向用のミラー（４，５）のうち、レーザービームの光源としてのレーザーユニット（１）側に設けた第１のミラー（４）が、レーザーユニット（１）から該第１のミラー（４）までの光軸（ａ）のまわりに回転可能に保持され、第１のミラー（４）で偏向したレーザービームを受けるように送信ユニットのレーザービーム出口側に設けた第２のミラー（５）が、前記光軸（ａ）に対し垂直な第２の光軸（ｂ）のまわりでの緩速回転運動と、前記第２の光軸（ｂ）に対し垂直な２つの軸線のまわりでの高速傾動運動とを実施可能であるように保持されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 受信ユニットが検知面（１９，２０）を放射方向に対し方向調整するための装置（１８−２７）を備えていることを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。

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