JP4768670B2 - 電力供給システムおよび電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は電力を負荷に供給する技術に関し、特に伝搬される電磁波から電力を得て負荷に供給する技術に関する。

従来、本発明者らにより、対向するシート体に挟まれる狭間領域に電磁場を存在させ、２つのシート体の間の電圧を変化させて当該電磁場を変化させたり、当該電磁場の変化によってシート体の間の電圧を変化させて、電磁場を進行させることで、通信を行う技術が開発されている（たとえば特許文献１）。また本発明者の一人が、下記文献において、２次元通信の原理を紹介している（非特許文献１）。
特開２００７−８２１７８号公報 篠田裕之、「素材表面に形成する高速センサネットワーク」、計測と制御、２００７年２月号、第４６巻、第２号、p.98-103

本発明者は、シート状の信号伝達装置の開発を行ってきたが、この信号伝達装置を利用するシステムにおいて、各種センサやバッテリなどの負荷に効率的に電力を供給できることが好ましい。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷に効率的に電力を供給できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、電力を負荷に供給する電力供給システムに関する。この電力供給システムは、電磁波を伝搬する電磁波伝搬装置と、当該電磁波伝搬装置により伝搬される電磁波を受信する複数の電極と、２つの電極で受信した電磁波を整流する複数の整流回路と、複数の整流回路の出力を結合して負荷に電力を供給する結合部とを備える。

本発明の別の態様は、負荷に電力を供給する電力供給装置に関する。この電力供給装置は、電磁波を受信する複数の電極と、２つの電極で受信した電磁波を整流する複数の整流回路と、複数の整流回路の出力を結合して負荷に電力を供給する結合部とを備える。

本発明によれば、負荷に電力を効率的に供給することが可能となる。

以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は例示であって、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本願発明の範囲に含まれる。

本実施形態においては、本発明者などにより特開２００７−８２１７８号公報において提案する信号伝達装置と、負荷に電力を供給する電力供給装置とを組み合わせて、電力供給システムを構成する。本実施形態の電力供給システムにおいて、信号伝達装置は、有意な信号だけでなく、電磁波エネルギを電力供給装置に伝達できればよく、したがって以下の説明では、「電磁波伝搬装置」と呼ぶこととする。また、電力供給装置は、電磁波伝搬装置により伝搬される電磁波エネルギを電力に変換する機能を有して構成され、「電力変換装置」または「電力取得装置」と呼ばれてもよい。

なお、以下では、理解を容易にするため、電磁波エネルギの伝達に用いる電磁波の周波数帯において導電体であるものを「導電体」と呼び、当該周波数帯において誘電体であるものを「誘電体」と呼ぶ。したがって、たとえば、直流電流に対しては絶縁体であるものを「導電体」と呼ぶこともある。

（電磁波伝搬装置）
図１は、本実施形態に係る電磁波伝搬装置の概要構成を示す説明図である。図１（ａ）は、電磁波伝搬装置１００の上面図を示し、図１（ｂ）は、電磁波伝搬装置１００の断面図を示す。この断面図は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す。

図１（ｂ）に示すように、電磁波伝搬装置１００は、メッシュ状の第１導体部１１０と、これに略平行な平板状の第２導体部１２０とを備えている。第１導体部１１０は、第２導体部１２０に対して上方に設けられる。図１（ａ）において、第１導体部１１０は、正方形のメッシュ状に構成され、正方形の開口から第２導体部１２０が透けて見えている。後述するように、この例では、第１導体部１１０と第２導体部１２０の間に、誘電層としての空気が介在している状態を示しているため、第１導体部１１０の開口から第２導体部１２０が見えているが、不透明な誘電層が介在する場合には、第１導体部１１０の開口から第２導体部１２０は見えない。メッシュの繰り返し単位は横に隣り合う正方形開口の中心同士の距離に等しい。

図１（ｂ）において、第１導体部１１０と第２導体部１２０の間に、狭間領域１３０が設けられ、第１導体部１１０の上方に浸出領域１４０が設けられる。狭間領域１３０および浸出領域１４０はいずれも空気であってよいが、いずれか一方もしくは両方もしくはそれらの一部分を、各種の誘電体としたり、水や土としたり、真空としたりしてもよい。また、狭間領域１３０において定在波が生じるのを防止するために、伝搬される電磁波の周波数帯において誘電損失や抵抗損失が大きな材料を狭間領域１３０に配置したり、充填したりしてもよい。

第１導体部１１０と第２導体部１２０は、いずれもシート状に構成される。シート状とは、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状など、面としての広がりを持ち、厚さが薄いものを意味する。したがって、たとえば、部屋の壁を本実施形態の電磁波伝搬装置１００とする場合には、まず第２導体部１２０として金属箔を貼り付け、つぎに絶縁体を吹き付けてから、第１導体部１１０として金属の網を貼り付け、さらに絶縁体の壁紙を貼り付ければよい。このほか、導電性インクや導電性ゴムを利用し、必要に応じて模様を描きながらこれらを塗装したり吹き付けたりすることによって、第１導体部１１０や第２導体部１２０を構成することができる。

電磁波伝搬装置１００において、第１導体部１１０と第２導体部１２０とに挟まれる狭間領域１３０の間を伝播する電磁波モードに注目する。かりに第１導体部１１０がメッシュではなく、開口がない構造であった場合には、電磁波は狭間領域１３０に完全に閉じ込められる。

しかしながら、第１導体部１１０は、メッシュ状の構造をとり、開口をもつ。このような形状では、メッシュの間隔と同程度の高さまで、電磁場が染み出すようになる。この電磁場が染み出す領域が、浸出領域１４０である。

メッシュの繰返しの単位寸法は、狭間領域１３０における電磁波長λより十分に短い必要がある。典型的には、電磁波長λに対して、λ／５以下、λ／１０〜λ／１００、λ／１００〜λ／１０００などのサイズを利用できるが、電磁波伝搬装置１００の適用分野に応じて、適宜サイズは調整可能である。また、現実の素材を組み合わせて実験を行い、所望の電磁波の強度が得られるように、浸出領域１４０の高さ（厚さ）を設定してもよい。

浸出領域１４０の高さ（厚さ）は、メッシュの繰り返し単位と同程度である。実際には、第１導体部１１０の表面からの距離に応じて、指数的に電磁波の強度が減衰するようになる。また、狭間領域１３０の高さ（厚さ）も、メッシュの繰り返し単位と同程度のオーダが典型的であり、電磁波長よりも十分小さい必要がある。

なお、電磁波伝搬装置１００を２つ用意して、それぞれ浸出領域１４０が重なるように配置すれば、２つの電磁波伝搬装置１００の間で、電磁場を介した信号の伝達を行うことが可能となる。たとえば、一方の電磁波伝搬装置１００を、部屋の壁紙として壁面に貼り付け、他方の電磁波伝搬装置１００を、この「壁紙」を介した信号伝達を行うためのインターフェース装置やコネクタの一種として利用することが可能である。この場合、それぞれのメッシュの間隔や形状は、互いに異なるものとしてもよいし、等しいものとしてもよい。

このほか、一方の電磁波伝搬装置１００には第１のインターフェース装置や通信機器を有線結合もしくは近接結合により接続し、他方の電磁波伝搬装置１００には第２のインターフェース装置や通信機器を有線結合もしくは近接結合により接続し、２つの電磁波伝搬装置１００の浸出領域１４０を重ねれば、第１のインターフェース装置や通信機器と、第２のインターフェース装置や通信機器と、の間で、信号を伝達することが可能となる。また、電磁波伝搬装置１００そのものを、近接結合に接続可能なインターフェース装置としてみることもできる。このように電磁波伝搬装置１００は、インタフェース装置と組み合わせて信号伝達システムを構成することができる。

インターフェース装置に接続される通信機器としては、外部の通信装置、各種の通信素子、通信回路、センサ、ＲＦタグ、アクチュエータなどが考えられる。これらの通信機器は、電磁波伝搬装置を介して他の通信機器と通信し、「他の通信機器」としては、上記のもののほか、電磁波伝搬装置に埋め込まれている通信素子やセンサ、ＲＦタグ等などとすることも可能である。

このように電磁波伝搬装置１００は、信号を伝達する機能を有して構成されているが、本実施形態においては、以下に説明する電力供給装置と組み合わされることで、負荷に電力を供給する電力供給システムを構築する。

（電力供給装置）
図２は、本実施形態に係る電力供給装置の概要構成を示す説明図である。図２（ａ）は、電力供給装置２００の上面図を示し、図２（ｂ）は、電力供給装置２００の断面図を示し、図２（ｃ）は、電力供給装置２００の下面図を示す。図２（ｂ）の断面図は、図２（ｃ）におけるＢ−Ｂ断面を示す。

図２（ｃ）に示すように、電力供給装置２００の下面には、複数の電極２２０ａ〜２２０ｉが基板２１０にアレイ状に配列されて設けられている。基板２１０は、たとえば比誘電率が４．９の誘電体により構成される。電力供給システムにおいて、電力供給装置２００の下面は、電磁波伝搬装置１００の上面に対向して配置され、電極２２０は、電磁波伝搬装置１００の浸出領域１４０に染み出す電磁場の変化を受信する。各電極２２０は、正方形の形状を有し、隣接する電極２２０との距離がそれぞれ等しくなるように設けられる。各電極２２０の中心同士の間隔は、電磁波伝搬装置１００における第１導体部１１０の開口の中心同士の間隔よりも大きく設定される。これにより、電力供給装置２００は、電磁波伝搬装置１００の狭間領域１３０において伝搬される電磁波のエネルギを効率よく取り出すことが可能となる。

複数の電極２２０は、基板２１０の下面において、２次元的に配列されることが好ましい。これにより、基板２１０の面積を効率よく利用することができる。各電極２２０の形状は異なってもよいが、正方形、正六角形など、同サイズの正多角形に形成することで、規則的に、たとえばマトリックス状に２次元配列することが可能となる。

図２（ａ）に示すように、電力供給装置２００の上面には、２つの電極２２０で受信した電磁波を整流する複数の整流回路２３０が設けられる。具体的には、整流回路２３０ａが、電極２２０ａおよび電極２２０ｂと電気的に接続し、電極２２０ａおよび電極２２０ｂで受信する電磁波を全波整流する。各電極２２０は、非共振型のアンテナに相当し、５ＧＨｚ帯の電磁波、２．４ＧＨｚ帯の電磁波や、９５０ＭＨｚ帯の電磁波など、様々な周波数の電磁波を受信でき、また整流回路２３０は、入力波の正負にかかわらず、正出力を獲得できる。

同様に、整流回路２３０ｂが電極２２０ｂおよび電極２２０ｃと電気的に接続し、整流回路２３０ｃが電極２２０ａおよび電極２２０ｄと電気的に接続し、整流回路２３０ｄが電極２２０ｂおよび電極２２０ｅと電気的に接続し、整流回路２３０ｅが電極２２０ｃおよび電極２２０ｆと電気的に接続し、整流回路２３０ｆが電極２２０ｄおよび電極２２０ｅと電気的に接続し、整流回路２３０ｇが電極２２０ｅおよび電極２２０ｆと電気的に接続し、整流回路２３０ｈが電極２２０ｄおよび電極２２０ｇと電気的に接続し、整流回路２３０ｉが電極２２０ｅおよび電極２２０ｈと電気的に接続し、整流回路２３０ｊが電極２２０ｆおよび電極２２０ｉと電気的に接続し、整流回路２３０ｋが電極２２０ｇおよび電極２２０ｈと電気的に接続し、整流回路２３０ｌが電極２２０ｈおよび電極２２０ｉと電気的に接続する。この例では、整流回路２３０が、隣り合う電極２２０同士を電気的に接続している。

このように、電力供給装置２００では、１つの電極２２０が、異なる２以上の整流回路２３０に接続される。図２（ａ）では、電極２２０ａ、２２０ｃ、２２０ｇ、２２０ｉが２つの整流回路２３０に接続され、また電極２２０ｂ、２２０ｄ、２２０ｆ、２２０ｈが３つの整流回路２３０に接続され、電極２２０ｅが４つの整流回路２３０に接続される。このように、電極２２０を、複数の整流回路２３０の入力として共用することにより、効率的に電磁波エネルギを取り出すことが可能となり、基板２１０の下面スペースを有効に利用できる。また、電極２２０を複数の整流回路２３０の入力として共用することで、結果として、整流回路２３０の数を、電極２２０の数よりも多くすることができる。たとえば、整流回路２３０の出力を並列接続することで、それぞれの整流回路２３０の出力を加算した大きな電力を取り出すことができるが、整流回路２３０の数を電極２２０の数よりも多くすることで、電力を効率よく取り出す電力供給システム１０を実現することが可能となる。

図２（ｂ）に示すように、基板２１０には電極２２０と、整流回路２３０の接点２４０とを電気的に接続するビアが形成される。各整流回路２３０は、接点２４０ａおよび接点２４０ｂを有し、それぞれの接点２４０は、異なる電極２２０と電気的に接続される。

図３（ａ）は、整流回路２３０の回路構成を示す。整流回路２３０は、既知の全波整流回路として構成されてよい。整流回路２３０は、ダイオードブリッジと平滑化コンデンサにより構成される。整流回路２３０は、電極２２０との接点２４０ａ、２４０ｂを有し、また２つの出力端子２４２ａ、２４２ｂを備える。

図３（ｂ）は、基板２１０の上面における接点２４０の配置を示す。図中、黒丸は接点２４０ａを示し、白丸は接点２４０ｂを示す。なお、この接点２４０の配置は例示であり、いずれの配置をとる場合であっても、整流回路２３０が、異なる電極２２０からの電磁波を受信できる構成になっていればよい。

（電力供給システム）
図４は、電力を負荷に供給する電力供給システムを示す。電力供給システム１０は、電磁波伝搬装置１００の上面に電力供給装置２００を載置することで実現される。電力供給装置２００は、電磁波伝搬装置１００上面の任意の位置に載置されてよい。

電磁波伝搬装置１００は、導電層１５０、誘電層１６０、メッシュ層１７０および絶縁層１８０により構成されるシート状の積層構造をとり、メッシュ層１７０と導電層１５０に印加される電磁波を誘電層１６０において伝搬させる。ここで導電層１５０は、図１（ｂ）における第２導体部１２０に対応し、誘電層１６０は、狭間領域１３０に対応し、またメッシュ層１７０は、第１導体部１１０が設けられた層に対応する。

既述したように、電磁波伝搬装置１００では、メッシュ層１７０と導電層１５０に電磁波が印加されると、電磁場は浸出領域１４０まで染み出す特性をもつ。したがって、第１導体部１１０の開口上面に伝搬する電磁波が電極２２０により受信されるように、絶縁層１８０の厚みは、浸出領域１４０の最大高さよりも薄くされる必要がある。なお絶縁層１８０は、電磁波伝搬装置１００ではなく、電力供給装置２００の下面に設けられてもよい。また、絶縁層１８０は電磁波伝搬装置１００または電力供給装置２００に設けられなくてもよく、メッシュ層１７０上に紙などの絶縁物を置き、その上に電力供給装置２００を載置することで、メッシュ層１７０と電極２２０との導通を回避してもよい。

図示されるように、電力供給装置２００の複数の電極２２０は基板２１０の下面に設けられ、電磁波伝搬装置１００の表面、具体的にはメッシュ層１７０の表面に対して平面上に配列される。すなわち複数の電極２２０は、電磁波伝搬装置１００の表面に対して実質的に同じ高さの位置に配置される。これにより、全ての電極２２０が、電磁波伝搬装置１００から略均等に電磁波を受信できるようになる。

結合部２５０は、複数の整流回路２３０の出力を結合して、負荷３００に電力を供給する。結合部２５０は、各整流回路２３０の出力端子２４２を直列接続してもよく、また並列接続してもよい。図４では、結合部２５０が、各整流回路２３０の出力端子２４２を並列接続し、各整流回路２３０から出力される電流を加算して負荷３００に供給している。このように、電力供給システム１０では、複数の整流回路２３０の出力を加算することで、大きな電力を取り出すことが可能となる。１つの電極２２０を複数の整流回路２３０で共用することで、基板２１０の下面スペースを有効利用することができ、電力供給装置２００を小型化できるという利点もある。

負荷３００は、電磁波伝搬装置１００を信号伝達装置として作用させたときに、インターフェース装置を介して接続される外部の通信装置、各種の通信素子、通信回路、センサ、ＲＦタグ、アクチュエータなどであってよい。また負荷３００はバッテリであって、電力供給システム１０がバッテリ充電に利用されてもよい。

電力供給装置２００は、持ち運び可能に構成され、電磁波伝搬装置１００上の任意の位置に載置されてよい。１つの電力供給装置２００により取得できる電力は、印加される電磁波により決定されるが、必要量の電力を得るために、複数の電力供給装置２００を電磁波伝搬装置１００上に載置して、電力供給装置２００の出力を並列接続することで電力を取り出すことも可能である。このように、電力供給装置２００を持ち運び可能に構成して、任意数の電力供給装置２００を接続して電磁波伝搬装置１００に載置することで、必要量の電力を容易に生成することが可能となり、たとえば生成した電力を予めバッテリに蓄積しておくことで、信号伝達システムを効率的に動作させることが可能となる。

また、電力供給システム１０として動作するとき、電磁波伝搬装置１００には、電力供給用の電磁波が印加されてもよい。また、信号伝達システムとしての動作中に、電力供給装置２００がその有意な信号を伝搬する電磁波を受信して、電力を生成してもよい。

（動作実験）
本発明者は、本実施形態の電力供給システム１０の電力供給特性についての実験を行った。
図５は、電磁波伝搬装置１００に電磁波を印加するときに使用されるＳＭＡコネクタを示す。図中に示す数字は、ＳＭＡコネクタ４００の寸法（単位ｍｍ）を示し、形状は軸対称である。ＳＭＡコネクタ４００は、共振型のコネクタであり、外部発振器を接続して、電磁波伝搬装置１００に所定の周波数の電磁波を印加する。

図６は、電極２２０のアレイ形状を示し、実験では電極２２０のサイズＬを変化させる。具体的にＬを、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍと変化させて、電力供給システム１０の電力供給特性について実験した。なお、電極２２０の間隔は５ｍｍに設定した。

図７は、電力供給システム１０の実験環境を示す。第１導体部１１０の線幅（メッシュ線幅）は１ｍｍ、正方形の開口の一辺長さは７ｍｍ、電磁波伝搬装置１００のシート形状は長さ８００ｍｍ×幅５００ｍｍとした。また、ＳＭＡコネクタ４００の中心をシート左端から１５０ｍｍ、幅中央位置（下端から２５０ｍｍ）の地点に配置し、また電力供給装置２００の左端を、シート左端から６５０ｍｍ、その中心が幅中央位置にくるように配置した。

なお、電磁波伝搬装置１００の厚さは２ｍｍ、メッシュ層１７０を構成する第１導体部１１０は、厚さ３０μｍのアルミニウムで形成する。誘電層１６０の比誘電率は１．４、導電層１５０を構成する第２導体部１２０は、厚さ３０μｍのアルミニウムで形成する。メッシュ層１７０の上面には、７５μｍの絶縁フィルムを配置する。以上の条件のもと、電力供給装置２００の電極長さＬを１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍと変化させて、取得電力を測定した。

図８は、単位面積当たりの取得電力Ｐを示す実験結果である。ＳＭＡコネクタ４００には、出力１０Ｗの２．３５ＧＨｚ発振器を接続した。実験では、電力供給装置２００における全ての整流回路２３０からの出力端子２４２を結合部２５０において並列接続し、結合部２５０における出力端子間に負荷３００［Ω］を接続し、負荷３００の両端に発生する電圧値を計測して電力を求め、電極２２０の総面積から単位面積当たりの取得電力Ｐを求めた。

以上の実験結果により、電力供給装置２００を電磁波伝搬装置１００に載置することで、電力を負荷３００に供給できることが確認された。また、図８に示す実験結果より、電極２２０が小さい方が、単位面積当たりの取得電力が高いことも確認された。そのため、電力供給装置２００においては、電極２２０を小さく形成し、基板２１０上に形成する電極２２０の数を多くすることで、取得できる電力量を大きくすることが分かった。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。これらの実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

（ａ）は電磁波伝搬装置の上面図であり、（ｂ）は、電磁波伝搬装置の断面図である。 （ａ）は電力供給装置の上面図であり、（ｂ）は電力供給装置の断面図であり、（ｃ）は電力供給装置の下面図である。 （ａ）は整流回路の回路構成図であり、（ｂ）は基板上面における接点の配置を示す図である。 電力を負荷に供給する電力供給システムを示す図である。 ＳＭＡコネクタの構成図である。 電極のアレイ形状を示す図である。 電力供給システムの実験環境を示す図である。 単位面積当たりの取得電力を示す実験結果を示す図である。

符号の説明

１０・・・電力供給システム、１００・・・電磁波伝搬装置、１１０・・・第１導体部、１２０・・・第２導体部、１３０・・・狭間領域、１４０・・・浸出領域、１５０・・・導電層、１６０・・・誘電層、１７０・・・メッシュ層、１８０・・・絶縁層、２００・・・電力供給装置、２１０・・・基板、２２０・・・電極、２３０・・・整流回路、２４０・・・接点、２４２・・・出力端子、２５０・・・結合部、３００・・・負荷、４００・・・ＳＭＡコネクタ。

Claims (8)

1. 電力供給システムであって、
   電磁波を伝搬する電磁波伝搬装置と、
   負荷に電力を供給する電力供給装置とを備え、
   前記電力供給装置は、
   前記電磁波伝搬装置の表面に近接して配置される基板と、
   前記基板においてマトリックス状に配列され、前記電磁波伝搬装置の表面に対して実質的に同じ高さの位置に配置されて、前記電磁波伝搬装置により伝搬される電磁波を受信する複数の電極と、
   隣り合う２つの電極の間の電圧を整流する複数の整流回路と、
   複数の整流回路の出力を結合する結合部と、
   を有することを特徴とする電力供給システム。
2. １つの電極は、異なる２以上の整流回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 複数の電極のそれぞれは、同じ大きさの多角形に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給システム。
4. 電磁波伝搬装置は、複数の開口を有する第１導体部と、第１導体部に略平行な第２導体部と、第１導体部と第２導体部の間の誘電層とを有し、
   電極の中心同士の間隔は、第１導体部の開口の中心同士の間隔よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力供給システム。
5. 負荷に電力を供給する電力供給装置であって、
   電磁波を受信する複数の電極と、
   隣り合う２つの電極の間の電圧を整流する複数の整流回路と、
   マトリックス状に配列された複数の電極を下面に支持し、複数の整流回路を上面に支持して、電極と整流回路とを電気的に接続する基板と、
   複数の整流回路の出力を結合する結合部と、
   を備えることを特徴とする電力供給装置。
6. 整流回路の数は、電極の数よりも多いことを特徴とする請求項５に記載の電力供給装置。
7. 複数の電極のそれぞれは、同じ大きさの多角形に形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の電力供給装置。
8. 結合部は、複数の整流回路の出力を並列接続または直列接続することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の電力供給装置。

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