JP5957311B2 - 無線電力を用いる通信装置、システム、及び方法 - Google Patents

無線電力を用いる通信装置、システム、及び方法 Download PDF

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Description

技術分野は無線電力を用いて通信を行う装置及びシステムに関する。
携帯機器を含む様々な電子機器が爆発的に増加しているが、これに対する有線による電力供給はますます不便になり、既存のバッテリ容量も限界に直面している。これらの問題を克服するために無線電力送信の研究が始められた。その中でも近距離無線電力送信に対する研究が集中している。近距離無線電力送信とは、動作周波数における波長に比べて送受信コイル間の距離が十分に小さい場合を意味する。共振特性を用いる無線電力送受信システムは、電力を供給するソースと電力が供給されるターゲットを含む。無線電力を送信して受信する過程においてソースおよびターゲットは情報を共有する必要がある。
本発明の目的は、無線電力受信端ＲＸから無線電力送信端ＴＸへのデータ送信のためのエネルギーを必要とせず、相対的に低いアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）のサンプリングレート（ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒａｔｅ）でもデータを効率よく復調する無線電力送信装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、サンプリングノイズの影響を低減し、量子化ノイズに対して堅固にすることで周辺信号の干渉にも強い特性を表す装置を提供する。
一実施形態において、無線電力を用いる通信装置は、ターゲット共振器とソース共振器との間の相互共振の有無を決定する制御部と、前記相互共振の有無に応じてデータを変調する変調部とを備える。
前記ターゲット共振器はインダクター及びキャパシタを含み、前記相互共振によって前記インダクター及び前記キャパシタに電力を充電する充電部と、前記キャパシタに充電された電力を負荷に送信する電力送信部と、前記制御部の決定に応じて前記キャパシタを前記充電部又は前記電力送信部に接続するスイッチを制御するスイッチ制御部とをさらに備えてもよい。
前記スイッチ制御部は、前記相互共振を行うために前記キャパシタが前記充電部と接続されるように前記スイッチを制御してもよい。
前記ターゲット共振器はインダクター及びキャパシタを含み、前記相互共振によって前記インダクター及び前記キャパシタに電力を充電する充電部と、前記インダクター及び前記キャパシタに充電された電力を負荷に送信する電力送信部と、前記制御部の決定に応じて前記充電部と前記電力送信部を接続するスイッチを制御するスイッチ制御部と、をさらに備えてもよい。
前記制御部は、前記ターゲット共振器の共振周波数を変更して前記共振周波数を変更した後、所定の時間内に前記ターゲット共振器に充電された電力を捕捉してもよい。
他の一側面において、前記相互共振が終了する場合、前記ターゲット共振器に充電された電力量に基づいてデータを復調する復調部をさらに備えてもよい。
前記制御部は、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間が相互共振するタイミングを制御してもよい。
他の一側面において、前記ターゲット共振器に発生した電流又は電圧の波形から包絡線を検出する包絡線検出部をさらに備えてもよい。
前記包絡線検出部は、前記電流又は前記電圧を入力にして包絡線検出用アナログ回路の出力から前記包絡線を獲得してもよい。
前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、前記下方変換された信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、前記周波数領域信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部とを備えてもよい。
前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、前記周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトする循環シフト部と、前記循環シフトした信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部とを備えてもよい。
前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、時間領域でコンボリューションによって前記下方変換された信号に低域通過フィルタリングを行って、ハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部とを備えてもよい。
一側面において、無線電力を用いる通信装置は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器からデータを受信する受信部と、前記ソース共振器に格納された電力量に基づいて前記データを復調する復調部とを備える。
他の一側面において、無線電力を用いる通信装置は、電源供給装置から供給される電力を介して前記ソース共振器を充電する電力充電部と、前記ソース共振器に充電される電力量を調整し、前記充電された電力量に基づいてデータを変調する変調部とをさらに備えてもよい。
他の一側面において、無線電力を用いる通信装置は、前記ソース共振器を充電するタイミングを調整する制御部をさらに備えてもよい。
前記復調部は、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間が相互共振する場合に前記ソース共振器に格納された電力量と、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間が相互共振しない場合に前記ソース共振器に格納された電力量とを比較して前記データを復調してもよい。
前記復調部は、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の相互共振の有無に応じて前記データを復調してもよい。
他の一側面において、無線電力を用いる通信装置は、前記ソース共振器に発生した電流又は電圧の波形から包絡線を検出する包絡線検出部をさらに備えてもよい。
前記復調部は、前記検出された包絡線と所定の値とを比較し、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の相互共振の有無を判断して前記相互共振の有無に応じて前記データを復調してもよい。
前記包絡線検出部は、前記電流又は前記電圧を入力にして包絡線検出用アナログ回路の出力として前記包絡線を獲得してもよい。
前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、前記下方変換された信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、前記周波数領域信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部とを備えてもよい。
前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、前記周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトする循環シフト部と、前記循環シフトした信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部とを備えてもよい。
前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、時間領域でコンボリューションによって前記下方変換された信号に低域通過フィルタリングを行って、ハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部とを備えてもよい。
一側面において、無線電力を用いる通信システムは、ターゲット共振器とソース共振器との間の相互共振の有無を決定する制御部と、前記相互共振の有無に応じてデータを変調する変調部と、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器からデータを受信する受信部と、前記ソース共振器に格納された電力量に基づいて前記データを復調する復調部とを備える。
一側面において、無線電力を用いる通信方法は、ターゲット共振器と自励共振するソース共振器との間の相互共振の有無を決定するステップと、前記相互共振の有無に応じてデータを変調するステップとを含む。
一側面において、無線電力を用いる通信方法は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器からデータを受信するステップと、前記ソース共振器に格納された電力量に基づいて前記データを復調するステップとを含む。
本発明によると、無線電力受信端ＲＸから無線電力送信端ＴＸにデータを送信するために相互共振を用いるので、データ送信のためのエネルギーを必要としない。また、相互共振を用いたデータ送信によってデータ送信性能を向上できる。
また、本発明によると、ソース共振器及びターゲット共振器に格納されるエネルギーの包絡線を検出する方式を用いる場合、より小さいアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）のサンプリングレートにおいてもデータを効率よく復調できる。
また、本発明によると、包絡線検出方式を用いるので、サンプリングノイズの影響を低減し、量子化ノイズに対して堅固にし、周辺信号の干渉にも強い特性を表すことができる。
一実施形態に係る電力入力部と電力送信部、受信部と電力出力部がキャパシタ及びスイッチによって物理的に分離された無線電力を用いる通信システムの等価回路を示す図である。 一実施形態に係る電力充電部と送信部、充電部と電力出力部がスイッチによって物理的に分離された無線電力を用いる通信システムの等価回路を示す図である。 強くカップリングされた無線電力を用いる通信システムの自然応答を示すグラフである。 弱くカップリングされた無線電力を用いる通信システムの自然応答を示すグラフである。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおける受信端のブロック図である。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおける送信端のブロック図である。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおける送信端から送信したデータ及び受信端で受信したデータを示すグラフである。 一実施形態に係るキャパシタの電圧充電を活用した無線電力を用いた通信システムにおいて、相互共振によって受信端から送信端にデータを送信する一例を示す図である。 一実施形態に係る電流充電を活用した無線電力を用いる通信システムにおいて、相互共振によって受信端から送信端にデータを送信する一例を示す図である。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、強くカップリングされたソース共振器及びターゲット共振器に発生するエネルギーの変化を示すグラフである。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、弱くカップリングされたソース共振器及びターゲット共振器に発生するエネルギーの変化を示すグラフである。 一実施形態に係る包絡線検出用アナログ回路を示す図である。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、弱くカップリングされたソース共振器に発生する電圧の自然応答とその包絡線を表すグラフである。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、弱くカップリングされたソース共振器に発生する電圧の自然応答を周波数領域で示すグラフである。 一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、デジタルプロセシングによって包絡線が検出される過程を示す図であり、（ａ）は下方変換された周波数領域信号を示し、（ｂ）は、高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）を行った結果、算出された包絡線を示す。
以下、一側に係る実施形態を添付する図面を参照しながら詳細に説明する。
一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムは無線電力送信を必要とする様々なシステムに応用される。例えば、携帯電話又は無線ＴＶなどの無線電力送信を用いるシステムにおいて、送受信端の間の制御情報及びその他情報交換に適用できる。また、バイオヘルスケア（ｂｉｏ ｈｅａｌｔｈ ｃａｒｅ）の分野に応用可能であり、人体に挿入されたデバイスへの遠隔電力送信、心拍数を測定するための包帯タイプのデバイスへの無線電力送信に応用され得る。
また、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムは、電源ソースのない情報格納装置の遠隔制御に応用され得る。一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムは、情報格納装置に遠隔で装置駆動電力を供給すると同時に、無線で該情報格納装置に保存すべき情報を格納するシステムに応用され得る。
無線電力を用いる通信システムは信号の発生のために電源供給装置からエネルギーをソース共振器に格納し、電源供給装置とソース共振器を電気的に接続するスイッチをオフすることによって、ソース共振器の自励共振（ｓｅｌｆ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を誘導する。自励共振するソース共振器と相互共振する（カップリングできる）ほど十分に近い距離に、ソース共振器の共振周波数と同一の共振周波数を有するターゲット共振器が存在する場合、ソース共振器とターゲット共振器との間に相互共振の現象が発生する。ソース共振器は電源供給装置からエネルギーが供給される共振器を意味し、ターゲット共振器は相互共振の現象によってエネルギーが送信される共振器を意味する。
図１は、一実施形態に係る電力入力部と電力送信部、受信部と電力出力部がキャパシタ及びスイッチによって物理的に分離された、無線電力を用いる通信システムの等価回路を示す図である。
図１を参照すれば、無線電力を用いる通信システムはソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造を有する。無線電力を用いる通信システムは、ソースに該当する無線電力送信装置とターゲットに該当する無線電力受信装置を備える。
無線電力送信装置は、電力入力部１１０、電力送信部１２０及びスイッチ部１３０を備える。電力入力部１１０は、電源供給装置を用いてキャパシタＣ１にエネルギーを格納する。スイッチ部１３０は、キャパシタにエネルギーＣ１が格納される間には電力入力部１１０にキャパシタＣ１が接続され、キャパシタＣ１に格納されたエネルギーを放電する間には電力入力部１１０に接続されたキャパシタＣ１が電力送信部１２０に接続される。スイッチ部１３０は、キャパシタＣ１が同時に電力入力部１１０及び電力送信部１２０に接続されないようにする。
電力送信部１２０は電磁気エネルギーを受信部１４０に送信する。より具体的には、電力送信部１２０の送信コイルＬ１は受信部１４０の受信コイルＬ２との相互共振によって電力を送信する。送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間に発生する相互共振の程度は相互インダクタンスＭの影響を受ける。
電力入力部１１０は入力電圧ＶＤＣ、内部抵抗Ｒｉｎ及びキャパシタＣ１を用いて、電力送信部１２０は電力送信部１２０に対応する物理的な性質を反映して基礎回路素子Ｒ１、Ｌ１、Ｃ１を用いて、スイッチ部１３０は複数のスイッチを用いてモデリングできる。スイッチとしてはオン／オフ機能を行う能動素子を用いてもよい。Ｒは抵抗成分、Ｌはインダクター成分、Ｃはキャパシタ成分を意味する。入力電圧ＶＤＣのうち、キャパシタＣ１にかけられる電圧はＶｉｎのように表示される。
無線電力受信装置は、受信部１４０、電力出力部１５０及びスイッチ部１６０を備える。受信部１４０は電力送信部１２０から電磁気エネルギーを受信する。受信部１４０は受信した電磁気エネルギーを接続されたキャパシタＣ２に格納する。スイッチ部１６０はキャパシタＣ２にエネルギーが格納される間には受信部１４０にキャパシタＣ２を接続し、キャパシタＣ２に格納されたエネルギーを負荷に送信する間には、受信部１４０との接続を切断してキャパシタＣ２を電力出力部１５０に接続する。スイッチ部１６０は、キャパシタが同時に受信部１４０及び電力出力部１５０に接続されないようにする。
より具体的には、受信部１４０の受信コイルＬ２は電力送信部１２０の送信コイルＬ１との相互共振によって電力を受信する。受信された電力によって受信コイルＬ２と接続されたキャパシタＣ２が充電される。電力出力部１５０はキャパシタＣ２に充電された電力をバッテリに送信する。電力出力部１５０はバッテリの代わりに、負荷又はターゲットデバイスに電力を送信してもよい。
受信部１４０は、受信部１４０に対応する物理的な性質を反映する基礎回路素子Ｒ２、Ｌ２、Ｃ２を用いて、電力出力部１５０は接続されるキャパシタＣ２及びバッテリを用いて、スイッチ部１６０は複数のスイッチを用いてモデリングできる。受信コイルＬ２で受信されるエネルギーのうち、キャパシタＣ２にかけられる電圧はＶＯＵＴのように表示される。
上記のように電力入力部１１０と電力送信部１２０、受信部１４０と電力出力部１５０を物理的に分離して電力を送信する、いわゆるＲＩ（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）システムはインピーダンスマッチングを用いた従来の方式に比べて様々な長所を有する。即ち、
第１に、ＤＣ電源からソース共振器に直接電力供給が可能であるので、電力増幅器を必要としない。第２に、受信端のキャパシタに充電された電力からエネルギーを捕捉（ｃａｐｔｕｒｅ）するので、整流器を通じる整流作業を必要としない。第３に、インピーダンスマッチングする必要がないので、送信効率が送信端と受信端との間の距離変化に過敏に変動しない。また、複数の送信端及び複数の受信端を含む無線電力を用いる通信システムへの拡張が容易である。
図２は、一実施形態に係る電力充電部と送信部、充電部と電力出力部がスイッチによって物理的に分離された無線電力を用いる通信システムの等価回路を示す図である。
図２を参照すれば、無線電力を用いる通信システムは、ソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造である。即ち、無線電力を用いる通信システムは、ソースに該当する無線電力送信装置とターゲットに該当する無線電力受信装置を備える。
無線電力送信装置は、電力充電部２１０、制御部２２０及び送信部２３０を備える。電力充電部２１０は電源供給装置Ｖｉｎと抵抗Ｒｉｎで構成される。ソース共振器（即ち、送信部）２３０はキャパシタＣ１とインダクターＬ１で構成される。送信部２３０は、ソース共振器２３０とターゲット共振器２４０との間の相互共振によってソース共振器２３０に格納されたエネルギーを送信する。制御部２２０は電力充電部２１０から抵抗Ｒｉｎを介してソース共振器２３０に電力を供給するためにスイッチをオン（ｏｎ）する。電源供給装置ＶｉｎからキャパシタＣ１に電圧が印加され、インダクターＬ１に電流が印加される。定常状態（ｓｔｅａｄｙ＿ｓｔａｔｅ）であれば、キャパシタＣ１に印加される電圧は０になり、インダクターＬ１に流れる電流はＶｉｎ／Ｒｉｎの値を有する。定常状態でインダクターＬ１には印加される電流によって電力が充電される。
制御部２２０は定常状態でソース共振器に充電された電力が所定値に達すれば、スイッチをオフ（ｏｆｆ）する。所定値に関する情報は制御部２２０に設定されてもよい。電力充電部２１０と送信部２３０は分離する。ここで、ソース共振器２３０は、キャパシタＣ１とインダクターＬ１との間に自励共振を開始する。相互インダクタンス（Ｍ）２７０を考慮する、ソース共振器２３０とターゲット共振器２４０との間の相互共振によってソース共振器２３０に格納されたエネルギーはターゲット共振器２４０に送信される。ここで、ソース共振器２３０の共振周波数ｆ１とターゲット共振器２４０の共振周波数ｆ２の値は同一である。
Figure 0005957311
無線電力受信装置は充電部（即ち、ターゲット共振器）２４０、制御部２５０及び電力出力部２６０を備える。ターゲット共振器２４０はキャパシタＣ２とインダクターＬ２で構成される。ソース共振器２３０とターゲット共振器２４０との間が相互共振するとき、ソース共振器２３０は電源供給装置Ｖｉｎと分離され、ターゲット共振器２４０は負荷（ＬＯＡＤ）及びキャパシタＣＬと分離される。ターゲット共振器２４０のキャパシタＣ２とインダクターＬ２は相互共振によって電力を充電する。制御部２５０はターゲット共振器２４０に電力を充電するためにスイッチをオフする。スイッチがオフの間に、ターゲット共振器２４０の共振周波数とソース共振器２３０の共振周波数は一致し、相互共振が発生する。制御部２５０はターゲット共振器２４０に充電された電力が所定値に達すれば、スイッチをオンする。所定値に関する情報は制御部２５０に設定されてもよい。スイッチがオンされれば、キャパシタＣＬが接続され、ターゲット共振器２４０の共振周波数が次式ｆ２’のように変更される。
Figure 0005957311
従って、ソース共振器とターゲット共振器との間に相互共振は終了する。より詳しくは、ターゲット共振器のＱを考慮し、（ｆ２’）が（ｆ２）よりも十分に小さければ、相互共振チャネルが消滅することがある。また、電力出力部２６０は、キャパシタＣ２とインダクターＬ２に充電された電力を負荷（ＬＯＡＤ）に送信する。電力出力部２６０は負荷（ＬＯＡＤ）の必要に応じる方式で電力を送信してもよい。
制御部２５０は、ターゲット共振器２４０に充電された電力が所定の値未満であれば、スイッチをオフする。充電部（ターゲット共振器）２４０は、ソース共振器２３０とターゲット共振器２４０との間の相互共振によって再びターゲット共振器（ターゲット共振器）に電力を充電する。
ソース共振器２３０とターゲット共振器２４０との間に相互共振が発生する時はスイッチが接続しない。従って、スイッチの接続による送信効率の減少を予防できる。
図１に示す場合と比較すると、キャパシタＣ１に充電されたエネルギーを送信する方式に比べてターゲット共振器２４０に格納されたエネルギーの捕捉時点を制御することが容易である。キャパシタに充電されたエネルギーを送信する方式はキャパシタに充電されたエネルギーのみが捕捉されるが、共振周波数を変更してエネルギーを捕捉する方式はターゲット共振器のインダクター及びキャパシタに格納されたエネルギーを捕捉するので、エネルギーの捕捉時点に対する自由度が向上する。
図３は、強くカップリングされた無線電力を用いる通信システムの自然応答を示すグラフである。
無線電力を用いる通信システムは、ソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造である。ソースは、ソース共振器に格納するエネルギー量を調整してデータを送信する。その際、ソースは量子化されたエネルギーを用いてデータを送信できる。ターゲットは相互共振によってターゲット共振器に格納されるエネルギー量に基づいてデータを受信する。従って、ターゲットは量子化されたエネルギーにマッピングされたデータを受信できる。また、ターゲットは、ターゲット共振器に格納するエネルギー量を調整してデータを送信する。ところが、ここで、ターゲットは、データの送信のためにターゲット共振器に格納するエネルギー量をソースから受信するエネルギー量よりも小さく維持しなければならない。その理由は、無線電力を用いる通信システムにおいて、ターゲットは別途の電源供給装置からエネルギーの供給を受けることなくソースからエネルギーを受信することを前提にするからである。
このようにソース共振器からターゲット共振器に誘導されたエネルギー量を調整してデータを変調する方式を誘導エネルギー変調方式と呼ぶ。
誘導エネルギー変調方式では、ソースとターゲットとの間の距離が遠くなるにつれて、ターゲットがソースに送信するデータにおけるエラーの発生率は高くなる。相互共振を用いる無線電力送信システムでは、ソースとターゲットとの間の距離が遠くなるにつれてエネルギーの送信効率は急激に減少する。即ち、ソースが送信するエネルギーのうち、ターゲットで受信するエネルギーが大きく減少することを意味する。このような状況で、ターゲットがエラーなしでデータをソースに送信するためには、ソースから受信したエネルギーよりも多くのエネルギーが求められる。ところが、ターゲットはソースからのみエネルギーを受信しているので、ターゲットが送信するデータにおけるエラーの発生確率は高くなる。
また、ソースとターゲットとの間の距離が遠くなるにつれてビート現象（ｂｅａｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）が発生しない。即ち、ソースとターゲットとの間にデータ送信のための所定のシンボル周期（ｓｙｍｂｏｌ＿ｄｕｒａｔｉｏｎ）の中でソース共振器に格納されたエネルギー又はターゲット共振器に格納されたエネルギーが完全に放電されないことを意味する。ソース共振器に残存するエネルギーによってターゲットから受信したデータにエラーが発生することがある。同様にして、ターゲット共振器に残存するエネルギーによってソースから受信したデータにエラーが発生する恐れがある。
カップリングの程度はカップリング係数値ｋによって決定され、ｋは距離の関数である。従って、ｋはソースとターゲットとの間の距離が遠くなるにつれて小さくなる。図３は、ソースとターゲットとの間が強くカップリングされた場合を示す。図３を参照すれば、Ｉｎｐｕｔはソース共振器で送信される電力を示し、Ｏｕｔｐｕｔはターゲット共振器に伝達される電力を示す。カップリングが強い場合にはＩｎｐｕｔ値とＯｕｔｐｕｔ値が周期的に交互に大小になるビート現象が発生する。
図４は、弱くカップリングされた無線電力を用いる通信システムの自然応答を示すグラフである。
図４は、ソースとターゲットとの間が弱くカップリングされた場合を示す。図４を参照すれば、Ｉｎｐｕｔはソース共振器から送信される電力を示し、Ｏｕｔｐｕｔはターゲット共振器に送信される電力を示す。カップリングが弱い場合にはＩｎｐｕｔ値とＯｕｔｐｕｔ値が周期的に交互に大小になるビート現象が発生しない。また、ターゲット共振器で誘導されるエネルギー量が減少する。従って、データ送信シンボルの周期の中でソース共振器に格納された電力及びターゲット共振器に格納された電力が完全に放電されない。この場合にソース及びターゲットが誘導エネルギー変調方式を用いると、データ送信にエラーが発生する確率が高い。
図５は、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおける受信端のブロック図である。
一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、この受信端は無線電力を用いる通信装置と呼ばれる。以下の説明において、無線電力を用いる通信装置は、無線電力を用いる通信システムにおいて無線電力を受信する受信端を意味する。
図５を参照すれば、一実施形態に係る無線電力を用いる通信装置は、充電部５１０、スイッチ制御部５２０、電力送信部５３０、制御部５４０、変調部５５０、復調部５６０及び包絡線検出部５７０を備える。
受信端のターゲット共振器はインダクター及びキャパシタで構成する。充電部５１０は、相互共振によってターゲット共振器のインダクター及びターゲット共振器のキャパシタに電力を充電する。
制御部５４０は、ターゲット共振器とソース共振器との間の相互共振の有無をシンボル周期単位で決定する。シンボル周期は１つのデータ情報を送信するために必要な時間、例えば、１ビットを送信するために必要な時間を意味する。自励共振するターゲット共振器と同一の共振周波数で自励共振するソース共振器が所定の距離だけ近接すれば相互共振が発生する。制御部５４０は、ターゲット共振器がソース共振器と同一の共振周波数で自励共振するようにインダクター及びキャパシタの接続を調整する。制御部５４０は、ターゲット共振器の共振周波数を変更してソース共振器との相互共振の有無を制御する。
制御部５４０の決定に応じて、ターゲット共振器は特定シンボル周期でソース共振器と相互共振し、他のシンボル周期でソース共振器と相互共振しない。制御部５４０の決定は、受信端で送信しようとするデータによって決定され得る。例えば、データ「１０１１１」を送信したい場合、制御部５４０は１を送信する場合にはターゲット共振器がソース共振器と相互共振するように決定し、０を送信する場合にはターゲット共振器がソース共振器と相互共振しないように決定する。もちろん、反対に、制御部５４０は１を送信する場合に相互共振しないように決定し、０を送信する場合には相互共振するように決定する場合もある。受信端でターゲット共振器とソース共振器との間が相互共振する場合に１を送信するか、０を送信するかは受信端と送信端との間で予め約束して設定できる。
また、制御部５４０は、ソース共振器とターゲット共振器との間が相互共振するタイミングを制御してもよい。制御部５４０はシンボル周期内で相互共振タイミングを制御し、相互共振タイミングの程度に応じてデータを区別して送信する。
キャパシタの電圧充電を活用した無線電力を用いる通信システムにおいて、スイッチ制御部５２０は、制御部５４０の決定に応じてキャパシタを充電部５１０又は電力送信部５３０に接続するスイッチを制御する。キャパシタの電圧充電を活用した無線電力を用いる通信システムは図１に示すような構造を有し得る。
スイッチ制御部５２０は相互共振を行うために、キャパシタが充電部５１０と接続されるようにスイッチを制御する。電力送信部５３０はキャパシタに充電された電力を負荷に送信する。ここで、スイッチ制御部５２０はキャパシタが負荷に接続されるようにスイッチを制御する。
他の例として、キャパシタの電流充電を活用した無線電力を用いる通信システムにおいて、スイッチ制御部５２０は、制御部５４０の決定に応じて充電部５１０と電力送信部５３０を接続するスイッチのオン／オフを制御する。電流充電を活用した無線電力を用いる通信システムは、図２に示すような構造を有し得る。
スイッチ制御部５２０は相互共振を行うために、充電部５１０と電力送信部５３０を接続するスイッチをオフする。電力送信部５３０は、インダクター及びキャパシタに充電された電力を負荷に送信する。ここで、スイッチ制御部５２０は充電部５１０と電力送信部５３０を接続するスイッチをオンする。
制御部５４０は、シンボル周期単位でターゲット共振器の共振周波数を変更できる。例えば、制御部５４０は、ターゲット共振器に追加的にキャパシタを接続してターゲット共振器の共振周波数を変更できる。また、制御部５４０はターゲット共振器を構成するキャパシタが複数である場合、所定のキャパシタの電気的な接続を遮断することによって共振周波数を変更できる。
制御部５４０は、共振周波数の変更後、所定の時間内にターゲット共振器に充電された電力を捕捉する。制御部５４０は、捕捉した電力の量に基づいてターゲット共振器で受信したデータを認識できる。また、制御部５４０は、捕捉した電力が負荷に伝えられるようにスイッチ制御部５２０を制御する。
変調部５５０は、ターゲット共振器とソース共振器との間の相互共振の有無に応じてデータを変調する。即ち、変調部５５０は相互共振する場合と、相互共振しない場合とにそれぞれデータを割り当てることができる。データは制御部５４０から提供できる。また、変調部５５０は、ターゲット共振器とソース共振器の間が相互共振するタイミングに応じてデータを変調できる。例えば、変調部５５０は相互共振するタイミングの長短に応じてデータを変調する。
復調部５６０は、シンボル周期単位でターゲット共振器に充電された電力量に基づいてデータを復調する。送信端においてソースは、シンボル周期単位でソース共振器に充電される電力量を調整してデータを変調する。復調部５６０はシンボル周期単位で、ターゲット共振器に充電された電力量にマッチングされるデータを復調する。充電された電力量とデータのマッピング関係は制御部５４０に予め設定される。又は、マッピング関係に関する情報は送信端と受信端との間に予め共有する場合もある。
ターゲット共振器に充電された電力量の検出は、ターゲット共振器に発生した電流又は電圧に対するアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングによって行われる。ところが、正確な電力量を検出するためにはアナログ−デジタル変換サンプリングレートがターゲット共振器の共振周波数よりも十分に速くなければならない。アナログ−デジタル変換サンプリングレートが速くなれば、アナログ−デジタルコンバータ自体の電力消耗が大きくなり、エネルギー送信効率とデータ送信効率が全面的にアナログ−デジタル変換サンプリングレート及び量子化ビット数の影響を受けることになる。包絡線検出部５７０は適正な速さのアナログ−デジタル変換サンプリングレートを使用しつつ、ターゲット共振器に充電された電力量を正確に検出する。
包絡線検出部５７０は、ターゲット共振器に発生した電流又は電圧の波形から包絡線を検出する。ここで、包絡線検出部５７０は包絡線検出用アナログ回路を用いることができる。包絡線検出用アナログ回路はターゲット共振器に発生した電流又はターゲット共振器に発生した電圧を入力にし、電流又は電圧の包絡線を出力する。
包絡線検出部５７０は、下方変換部５７１、変換部５７３、循環シフト部５７５、フィルタリング部５７７及び逆変換部５７９を備える。
下方変換部５７１は、ターゲット共振器に発生した電圧又は電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する。ここで、特定の信号波形は、共振周波数のサイン波形、コサイン波形及び指数関数型（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ）波形の何れかである。下方変換方式は、一般的に通信で用いる方式が用いられる。例えば、下方変換部５７１は、アナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を基底帯域に下方変換（ｄｏｗｎ＿ｃｏｎｖｅｒｔ）する。変換部５７３は、下方変換された信号を離散フーリエ変換（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、ＤＦＴ）又は高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、ＦＦＴ）して周波数領域信号に変換する。フィルタリング部５７７は、周波数領域信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成する。ハーモニック成分は周波数領域信号に含まれたノイズ成分を意味する。逆変換部５７９はハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ ＤＦＴ、ＩＤＦＴ）又は高速フーリエ逆変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ ＦＦＴ、ＩＦＦＴ）して時間領域信号に変換する。ここで、変換された時間領域信号はターゲット共振器に発生した電流波形又は電圧波形の包絡線を表す。
また、変換部５７３は、ターゲット共振器に発生した電圧又は電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数領域信号に変換する。循環シフト部５７５は、周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフト（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｈｉｆｔ）できる。例えば、循環シフト部５７５は周波数領域信号を基底帯域で循環シフトする。循環シフト部５７５は周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトすることで、フィルタリング部５７７のフィルタリング実行を簡単にする。フィルタリング部５７７は、循環シフトした信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成する。逆変換部５７９は、ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換（ＩＤＦＴ）又は高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）して時間領域信号に変換する。ここで、変換された時間領域信号は、ターゲット共振器に発生した電流波形又は電圧波形の包絡線を表す。
また、下方変換部５７１は、ターゲット共振器に発生した電圧又は電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する。フィルタリング部５７７は、時間領域でコンボリューション（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）によって下方変換された信号に低域通過フィルタリングを行い、これによってハーモニック成分の除去された信号を生成する。フィルタリング部５７７は、周波数領域だけではなく時間領域でも低域通過フィルタリングを実行できる。ここで、ハーモニック成分の除去された信号はターゲット共振器に発生した電流波形又は電圧波形の包絡線を表す。
その他に、包絡線検出部５７０は、デジタル領域における様々な信号処理方式を用いてターゲット共振器に発生した電流又は電圧の波形に対する包絡線を検出できる。
図６は、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおける送信端のブロック図である。
一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、この送信端は無線電力を用いる通信装置と呼ばれる。以下の説明において、無線電力を用いる通信装置は無線電力を用いる通信システムにおいて無線電力を送信する送信端を意味する。
図６を参照すれば、一実施形態に係る無線電力を用いる通信装置は、電力充電部６１０、制御部６２０、受信部６３０、変調部６４０、復調部６５０及び包絡線検出部６６０を備える。
電力充電部６１０は、電源供給装置から供給される電力を介してソース共振器を充電する。制御部６２０は、シンボル周期内でソース共振器に充電される電力量を調整する。データは、ソース共振器に充電される電力量に応じて区別されて割り当てられる。また、制御部６２０は、シンボル周期内でソース共振器を充電するタイミングを調整する。ソース共振器を充電するタイミングに応じてソース共振器に充電される電力量が変わり得る。
受信部６３０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってデータを受信する。ここで、ソース共振器に格納されているエネルギーはターゲット共振器との相互共振の有無に応じて減衰率が変化し得る。相互共振する場合にソース共振器とターゲット共振器はエネルギーを交換するため、ソース共振器に格納されたエネルギーの減衰率の変化は相対的に相互共振しない場合よりも大きい。相互共振しない場合、ソース共振器はターゲット共振器にエネルギーを送信することができないので、ソース共振器に格納されたエネルギーは自然減衰率に応じて減衰する。受信部６３０は相互共振の有無に応じて割り当てられたデータを受信する。
変調部６４０はソース共振器に充電される電力量を調整し、ソース共振器に充電された電力量に基づいてデータを変調する。充電された電力量に応じてデータが割り当てられてもよい。充電された電力量とデータのマッピング関係は制御部６２０に予め設定される。
復調部６５０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振の有無に応じてデータを復調する。例えば、受信端においてターゲットは相互共振する場合を１、相互共振しない場合を０にして、データ「１０１１１」を送信してもよい。復調部６５０はソース共振器の相互共振の有無を識別してデータ「１０１１１」を復調してもよい。
復調部６５０は、ソース共振器に格納された電力量に基づいてデータを復調してもよい。ソース共振器に格納された電力量は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振の有無に応じて変わり得る。復調部６５０は、シンボル周期単位でソース共振器に格納された電力量に応じてデータを復調してもよい。復調部６５０は、相互共振する場合にソース共振器に格納された電力量と相互共振しない場合にソース共振器に格納された電力量の差を識別し、その識別に基づいてデータを復調してもよい。
復調部６５０は、ソース共振器に格納された電力の変化量に基づいてデータを復調してもよい。復調部６５０は、相互共振する場合には格納された電力の変化量が大きくなり、相互共振しない場合には格納された電力の変化量が相対的に大きくないことを用いることができる。
復調部６５０は、ソース共振器とターゲット共振器との間が相互共振するタイミングに基づいてデータを復調してもよい。復調部６５０は相互共振するタイミングの長短に応じてデータを復調してもよい。
ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振の有無に対する識別は、ターゲット共振器に発生した電流又は電圧からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングによって行われる。ところが、この識別が正確にできるためにはアナログ−デジタル変換サンプリングレートがソース共振器の共振周波数よりも十分に速くなければならない。アナログ−デジタル変換サンプリングレートが速くなれば、アナログ−デジタルコンバータ自体の電力消耗は大きくなり、エネルギー送信効率とデータ送信効率が全面的にアナログ−デジタル変換サンプリングレート及び量子化ビット数の影響を受ける。包絡線検出部６６０は、検出される包絡線によって適正な速さのアナログ−デジタル変換サンプリングレートを使用しつつ、相互共振の有無を正確に識別できるようにする。
包絡線検出部６６０は、ソース共振器に発生した電流又は電圧の波形から包絡線を検出する。復調部６５０は、検出された包絡線と所定の値を比較してソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振の有無を判断し、相互共振の有無に応じてデータを復調する。復調部６５０は、シンボル周期単位で検出された包絡線の減衰率を比較してデータを復調してもよい。例えば、復調部６５０は、検出された包絡線の減衰率が相対的に大きい場合を相互共振する場合であると判断し、検出された包絡線の減衰率が相対的に小さい場合を相互共振しない場合であると判断する。
包絡線検出部６６０は包絡線検出用アナログ回路を用いる。包絡線検出用アナログ回路は、ソース共振器に発生した電流又はソース共振器に発生した電圧を入力にし、電流又は電圧の包絡線を出力する。
また、包絡線検出部６６０は、デジタル領域で信号処理によって包絡線を検出する。ここで、包絡線検出部６６０は、下方変換部６６１、変換部６６３、循環シフト部６６５、フィルタリング部６６７及び逆変換部６６９を備える。
下方変換部６６１は、ソース共振器に発生した電圧又は電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する。ここで、特定の信号波形は、共振周波数のサイン波形、コサイン波形及び指数関数型波形の何れかである。下方変換方式は一般的に通信で用いる方式が用いられる。
変換部６６３は、下方変換された信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する。フィルタリング部６６７は、周波数領域信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成する。ハーモニック成分は周波数領域信号に含まれたノイズ成分を意味する。逆変換部６６９は、ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する。ここで、変換された時間領域信号はソース共振器に発生した電流波形又は電圧波形の包絡線を表す。
また、変換部６６３はターゲット共振器に発生した電圧又は電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数領域信号に変換する。循環シフト部６６５は、周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトする。
例えば、循環シフト部６６５は周波数領域信号を基底帯域に循環シフトする。循環シフト部６６５は周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトすることで、フィルタリング部６６７のフィルタリング実行を簡単にする。フィルタリング部６６７は、循環シフトした信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成する。逆変換部６６９は、ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換（ＩＤＦＴ）又は高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）して時間領域信号に変換する。ここで、変換された時間領域信号はソース共振器に発生した電流波形又は電圧波形の包絡線を表す。
また、下方変換部６６１は、ターゲット共振器に発生した電圧又は電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する。フィルタリング部６６７は、時間領域でコンボリューションによって下方変換された信号に低域通過フィルタリングを行い、これによってハーモニック成分の除去された信号を生成する。フィルタリング部６６７は周波数領域だけではなく時間領域でも低域通過フィルタリングを行ってもよい。ここで、ハーモニック成分の除去された信号はソース共振器に発生した電流波形又は電圧波形の包絡線を表す。
その他に、包絡線検出部６６０は、デジタル領域における様々な信号処理方式を用いてソース共振器に発生した電流又は電圧の波形で包絡線を検出する。
図７は、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおける送信端から送信したデータ及び受信端で受信したデータを示すグラフである。
図７を参照すれば、送信端Ｔｘはソース共振器に格納されるエネルギーを調整してデータを送信し、受信端Ｒｘはターゲット共振器に格納されるエネルギーによりデータを受信する。
送受信端の間には予め約束されたｎ＋１個のエネルギーレベルがあり、それぞれのエネルギーレベルにはデータが割り当てられる。即ち、送信端では１つのシンボル周期でｌｏｇ（ｎ＋１）ビットの情報が送信可能である。
ソース共振器に格納されたエネルギーは、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってターゲット共振器に送信される。Ｔｓはソース共振器が相互共振の準備のために必要とする時間であり、図１ではソース共振器にキャパシタが接続されるために必要な時間、図２では電源供給装置とソース共振器を接続するスイッチがオフされるために必要な時間を意味する。Ｔｐ−Ｔｆ時間の間にソース共振器に格納されたエネルギーはターゲット共振器に全て送信される。Ｔｐ−Ｔｆ時点で受信端Ｒｘはターゲット共振器の相互共振を終了し、ターゲット共振器に格納されたエネルギーに基づいて受信したデータを復調する。
図８は、一実施形態に係るキャパシタの電圧充電を活用した無線電力を用いる通信システムにおいて、相互共振によって受信端から送信端にデータを送信する一例を示す図である。
図８を参照すれば、送信端はキャパシタＣ１に電圧を印加して電力を充電し、キャパシタＣ１とインダクターＬ１で構成されたソース共振器によってキャパシタＣ１に充電された電力を放電する。送信端はスイッチＳＷ１によって充電および放電を調整する。ソース共振器は、ターゲット共振器とのカップリングによってキャパシタＣ１に充電された電力をターゲット共振器に送信する。ここで、カップリングは相互共振を意味する。
ソース共振器とターゲット共振器との間のカップリングは相互インダクタンスＭの影響を受ける。
ターゲット共振器は、インダクターＬ２とキャパシタＣ２で構成される。ターゲット共振器は、カップリングによってソース共振器から電力が送信される。ここで、インダクターＬ２とキャパシタＣ２に電力が充電される。受信端は、キャパシタＣ２に充電された電力を捕捉して負荷（ＬＯＡＤ）に送信する。受信端は、スイッチＳＷ２によってカップリングおよび捕捉を調整することができる。受信端は、インダクターＬ２に接続されたスイッチＳＷ２をオフして負荷に接続し、ソース共振器とのカップリングを終了する。
送信端は１つのシンボル周期でスイッチＳＷ１を制御して充電および放電を行う。ここで、受信端はスイッチＳＷ２を制御してカップリングの有無を決定する。受信端は送信端の放電時点の前に、送信端と受信端のカップリングタイムを同期化するために必要なマージン（Ｓｙｎｃｈ．＿Ｍａｒｇｉｎ）を確保する。受信端はシンボル周期単位でカップリング８１０、及び／又は、捕獲（捕捉）８２０を行う。受信端はカップリングの有無に応じてデータを変調して送信する。ここで、カップリングの有無に応じてソース共振器に格納された電力の自然応答は互いに異なる波形を有するので、送信端はカップリングの有無を区別して受信端が送信したデータを復調できる。
図９は、一実施形態に係る電流充電を活用した無線電力を用いる通信システムにおいて、相互共振によって受信端から送信端にデータを送信する一例を示す図である。
図９を参照すれば、送信端はインダクターＬ１に電流を印加して電力を充電し、正常状態で、キャパシタＣ１とインダクターＬ１で構成されたソース共振器によってインダクターＬ１に充電された電力を放電する。送信端はスイッチＳＷ１によって充電および放電を調整する。ソース共振器は、ターゲット共振器とのカップリングによってインダクターＬ１に充電された電力をターゲット共振器に送信する。ここで、カップリングは相互共振を意味する。
ソース共振器とターゲット共振器との間のカップリングは相互インダクタンスＭの影響を受ける。
ターゲット共振器はインダクターＬ２とキャパシタＣ２から構成される。ターゲット共振器は、カップリングによってソース共振器から電力が送信される。ここで、インダクターＬ２とキャパシタＣ２に電力が充電される。受信端は、インダクターＬ２及びキャパシタＣ２に充電された電力を捕捉して負荷（ＬＯＡＤ）に送信する。受信端は、スイッチＳＷ２によってカップリングおよび捕捉を調整する。受信端はスイッチＳＷ２をオンしてキャパシタＣＬをターゲット共振器に接続し、これによってターゲット共振器の共振周波数が変更されることで、ソース共振器とのカップリングを終了する。
送信端は１つのシンボル周期でスイッチＳＷ１を制御し、充電および放電を行う。ここで、受信端はスイッチＳＷ２を制御してカップリングの有無を決定する。受信端は送信端の放電時点の前に、送信端と受信端のカップリングタイムを同期化するために必要なマージン（Ｓｙｎｃｈ．＿Ｍａｒｇｉｎ）を確保する。
受信端はシンボル周期単位でカップリング９１０、及び／又は、捕獲（捕捉）９２０を行う。受信端はカップリングの有無に応じてデータを変調して送信する。ここで、カップリングの有無に応じてソース共振器に格納された電力の自然応答は互いに異なる波形を有するので、送信端はカップリングの有無を区別して受信端が送信したデータを復調できる。
図１０は、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、強くカップリングされたソース共振器及びターゲット共振器に発生するエネルギーの変化を示すグラフである。
ＴＸ端において、ソース共振器とターゲット共振器との間が強くカップリングされた場合にソース共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｃｏｕｐｌｅｄ”と、カップリングされない場合にソース共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｎｏｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ”には差がある。ＲＸ端でもターゲット共振器とソース共振器との間が強くカップリングされた場合にターゲット共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｃｏｕｐｌｅｄ”と、カップリングされない場合にターゲット共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｎｏｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ”には大きい差がある。
ＲＸ端は、カップリングの有無に応じてデータを変調し、ＴＸ端はカップリングされた場合の信号波形とカップリングされない場合の信号波形とを比較し、比較結果に応じてＲＸ端で送信したデータを復調する。
図１１は、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、弱くカップリングされたソース共振器及びターゲット共振器に発生するエネルギーの変化を示すグラフである。
ＴＸ端でソース共振器とターゲット共振器との間が弱くカップリングされた場合にソース共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｃｏｕｐｌｅｄ”と、カップリングされない場合にソース共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｎｏｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ”には差がある。ＲＸ端でもターゲット共振器とソース共振器との間が弱くカップリングされた場合にターゲット共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｃｏｕｐｌｅｄ”と、カップリングされない場合にターゲット共振器に発生するエネルギー変化の波形“Ｎｏｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ”には大きい差がある。
ＲＸ端はカップリングの有無に応じてデータを変調し、ＴＸ端はカップリングされた場合の信号波形とカップリングされない場合の信号波形とを比較し、比較結果に応じてＲＸ端が送信したデータを復調する。
図１２は一実施形態に係る包絡線検出用アナログ回路を示す図である。
図１２を参照すれば、一実施形態に係る包絡線検出用アナログ回路はダイオード１２１０、キャパシタ１２２０及び負荷（ＬＯＡＤ）１２３０で実現される。ここで、包絡線検出用アナログ回路は、ソース共振器に発生した電流又はソース共振器に発生した電圧を入力とし、ソース共振器に発生した電流の包絡線又はソース共振器に発生した電圧の包絡線を出力とする。また、包絡線検出用アナログ回路は、ターゲット共振器に発生した電流又はターゲット共振器に発生した電圧を入力とし、ターゲット共振器に発生した電流の包絡線又はターゲット共振器に発生した電圧の包絡線を出力する。
図１２に示された回路の他にも容易に実施可能な様々な形態の包絡線検出回路図を用い得る。
図１３は一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、弱くカップリングされたソース共振器に発生する電圧の自然応答とその包絡線を表すグラフである。
図１３に示すグラフは、ソース共振器とターゲット共振器が弱くカップリングされる条件で、ターゲット共振器とカップリングが発生した場合にソース共振器に発生する電圧の自然応答信号１３２０“Ｔｘ＿ｉｎｐｕｔ＿ｖｏｌｔａｇｅ（ｃｏｕｐｌｅｄ）”と自然応答信号の包絡線１３４０“Ｅｎｖｅｌｏｐｅ（ｃｏｕｐｌｅｄ）”を示し、ターゲット共振器とカップリングが発生しない場合にソース共振器に発生する電圧の自然応答信号１３１０“Ｔｘ＿ｉｎｐｕｔ＿ｖｏｌｔａｇｅ（Ｎｏｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ）”と自然応答信号の包絡線１３３０“Ｅｎｖｅｌｏｐｅ（Ｎｏｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ）”を示す。ここでカップリングは相互共振を意味する。
自然応答信号１３１０及び自然応答信号１３２０自身をアナログ−デジタル変換サンプリングすることによってカップリングの有無を判断するには、相当高いサンプリングレートが要求されることが分かる。
これに比べて、送信端は相当低いサンプリングレートでサンプリングされた信号から包絡線１３３０及び包絡線１３４０を検出し、所定の値と比較することによってカップリングの有無を効率よく判断できる。また、送信端は包絡線１３３０と包絡線１３４０とを比較してカップリングの有無を判断できる。
図１３ではソース共振器に発生した電圧の波形を例示したが、ソース共振器に発生した電流の波形も類似の形態を有する。また、ソース共振器内に格納されたエネルギー量も類似の包絡線の形態を有する。
図１４は、一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、弱くカップリングされたソース共振器に発生する電圧の自然応答を周波数領域で示すグラフである。
図１４は、図１３に示す自然応答信号が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって周波数領域信号に変換された結果を示す。
図１５（ａ）および（ｂ）は一実施形態に係る無線電力を用いる通信システムにおいて、デジタルプロセシングによって包絡線が検出される過程を示す図である。
図１５（ａ）は、図１４に示す周波数領域信号に対して、共振周波数のサイン波形、コサイン波形及び指数関数型波形のいずれか１つを合成（乗算）して下方変換された周波数領域信号を示す。また、無線電力を用いる通信システムは、下方変換された周波数領域信号に対して低域通過フィルタリング（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ、ＬＰＦ）を行ってハーモニック成分を除去する。無線電力を用いる通信システムは、ハーモニック成分の除去された信号を時間領域に逆変換して時間領域における包絡線を算出する。図１５（ｂ）は、ハーモニック成分の除去された周波数領域信号に対して高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）を行った結果、算出された包絡線を表す。無線電力を用いる通信システムは、ターゲット共振器とカップリングが発生しない場合にソース共振器に発生する電圧の自然応答信号１５１０、及びターゲット共振器とカップリングが発生した場合にソース共振器に発生する電圧の自然応答信号１５２０からデジタルプロセシングによって包絡線１５３０及び包絡線１５４０を算出する。
上述した方法は、多様なコンピュータ手段によって行うことができるプログラム命令形態で実現され、コンピュータ読み出し可能媒体に記録される。記録媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独又は組み合わせたものを含む。記録媒体及びプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計して構成されたものか、又は、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり使用可能なものである。コンピュータ読取可能な記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク及び磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤのような光記録媒体、フロッピー（登録商標）ディスクのような磁気−光媒体、及びＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置を含む。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるような機械語コードだけでなく、インタプリタなどを用いてコンピュータによって実行され得る高級言語コードを含む。上述のハードウェア装置は、本発明の動作を行うために１つ以上のソフトウェアモジュールとして作動するように構成してもよく、その逆も同様である。
上述したように本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から様々に修正及び変形が可能である。
従って、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定して定められるものではなく、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。
１１０ 電力入力部
１２０ 電力送信部
１３０ スイッチ部
１４０ 受信部
１５０ 電力出力部
１６０ スイッチ部
２１０ 電力充電部
２２０ 制御部
２３０ 送信部（ソース共振器）
２４０ 充電部（ターゲット共振器）
２５０ 制御部
２６０ 電力出力部
５１０ 充電部
５２０ スイッチ制御部
５３０ 電力送信部
５４０ 制御部
５５０ 変調部
５６０ 復調部
５７０ 包絡線検出部
５７１ 下方変換部
５７３ 変換部
５７５ 循環シフト部
５７７ フィルタリング部
５７９ 逆変換部
６１０ 電力充電部
６２０ 制御部
６３０ 受信部
６４０ 変調部
６５０ 復調部
６６０ 包絡線検出部
６６１ 下方変換部
６６３ 変換部
６６５ 循環シフト部
６６７ フィルタリング部
６６９ 逆変換部
８１０、９１０ カップリング
８２０、９２０ 捕獲（捕捉）
１３１０、１５１０ ターゲット共振器とカップリングが発生しない場合にソース共振器に発生する電圧の自然応答信号
１３２０、１５２０ ターゲット共振器と（弱い）カップリングが発生した場合にソース共振器に発生する電圧の自然応答信号
１３３０ 自然応答信号１３１０の包絡線
１３４０ 自然応答信号１３２０の包絡線
１５３０ デジタルプロセシングにより得た、自然応答信号１５１０の包絡線
１５４０ デジタルプロセシングにより得た、自然応答信号１５２０の包絡線

Claims (26)

  1. ターゲット共振器とソース共振器との間の相互共振の有無を決定する制御部と、
    前記相互共振の有無に応じてデータを変調する変調部と、
    を備えることを特徴とする無線電力を用いる通信装置。
  2. 前記ターゲット共振器はインダクター及びキャパシタを含み、
    前記相互共振によって前記インダクター及び前記キャパシタに電力を充電する充電部と、
    前記キャパシタに充電された電力を負荷に送信する電力送信部と、
    前記制御部の決定に応じて前記キャパシタを前記充電部又は前記電力送信部に接続するスイッチを制御するスイッチ制御部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力を用いる通信装置。
  3. 前記スイッチ制御部は、前記相互共振を行うために前記キャパシタが前記充電部と接続されるように前記スイッチを制御することを特徴とする請求項２に記載の無線電力を用いる通信装置。
  4. 前記ターゲット共振器はインダクター及びキャパシタを含み、
    前記相互共振によって前記インダクター及び前記キャパシタに電力を充電する充電部と、
    前記インダクター及び前記キャパシタに充電された電力を負荷に送信する電力送信部と、
    前記制御部の決定に応じて前記充電部と前記電力送信部を接続するスイッチを制御するスイッチ制御部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力を用いる通信装置。
  5. 前記制御部は、前記ターゲット共振器の共振周波数を変更して前記共振周波数を変更した後、所定の時間内に前記ターゲット共振器に充電された電力を捕捉することを特徴とする請求項４に記載の無線電力を用いる通信装置。
  6. 前記相互共振が終了する場合、前記ターゲット共振器に充電された電力量に基づいてデータを復調する復調部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力を用いる通信装置。
  7. 前記制御部は、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間が相互共振するタイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の無線電力を用いる通信装置。
  8. 前記ターゲット共振器に発生した電流又は電圧の波形から包絡線を検出する包絡線検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力を用いる通信装置。
  9. 前記包絡線検出部は、前記電流又は前記電圧を入力にして包絡線検出用アナログ回路の出力として前記包絡線を獲得することを特徴とする請求項８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  10. 前記包絡線検出部は、前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、
    前記下方変換された信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、
    前記周波数領域信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、
    前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部と、
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  11. 前記包絡線検出部は、
    前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、
    前記周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトする循環シフト部と、
    前記循環シフトした信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、
    前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部と、
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  12. 前記包絡線検出部は、
    前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、
    時間領域でコンボリューションによって前記下方変換された信号に低域通過フィルタリングを行って、ハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  13. ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器からデータを受信する受信部と、
    前記ソース共振器に格納された電力量に基づいて前記データを復調する復調部と、
    を備えることを特徴とする無線電力を用いる通信装置。
  14. 電源供給装置から供給される電力を介して前記ソース共振器を充電する電力充電部と、
    前記ソース共振器に充電される電力量を調整し、前記充電された電力量に基づいてデータを変調する変調部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の無線電力を用いる通信装置。
  15. 前記ソース共振器を充電するタイミングを調整する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の無線電力を用いる通信装置。
  16. 前記復調部は、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間が相互共振する場合に前記ソース共振器に格納された電力量と、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間が相互共振しない場合に前記ソース共振器に格納された電力量とを比較して前記データを復調することを特徴とする請求項１３に記載の無線電力を用いる通信装置。
  17. 前記復調部は、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の相互共振の有無に応じて前記データを復調することを特徴とする請求項１３に記載の無線電力を用いる通信装置。
  18. 前記ソース共振器に発生した電流又は電圧の波形から包絡線を検出する包絡線検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の無線電力を用いる通信装置。
  19. 前記復調部は、前記検出された包絡線と所定の値とを比較し、前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の相互共振の有無を判断して前記相互共振の有無に応じて前記データを復調することを特徴とする請求項１８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  20. 前記包絡線検出部は、前記電流又は前記電圧を入力にして包絡線検出用アナログ回路の出力から前記包絡線を獲得することを特徴とする請求項１８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  21. 前記包絡線検出部は、
    前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、
    前記下方変換された信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、
    前記周波数領域信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、
    前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部と、
    を備えることを特徴とする請求項１８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  22. 前記包絡線検出部は、
    前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を離散フーリエ変換又は高速フーリエ変換して周波数領域信号に変換する変換部と、
    前記周波数領域信号を所定の周波数だけ循環シフトする循環シフト部と、
    前記循環シフトした信号に低域通過フィルタリングを行ってハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、
    前記ハーモニック成分の除去された信号を離散フーリエ逆変換又は高速フーリエ逆変換して時間領域信号に変換する逆変換部と、
    を備えることを特徴とする請求項１８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  23. 前記包絡線検出部は、
    前記電圧又は前記電流からアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）サンプリングされた信号を共振周波数の特定の信号波形のいずれか１つと乗算して下方変換された信号を生成する下方変換部と、
    時間領域でコンボリューションによって前記下方変換された信号に低域通過フィルタリングを行って、ハーモニック成分の除去された信号を生成するフィルタリング部と、
    を備えることを特徴とする請求項１８に記載の無線電力を用いる通信装置。
  24. ターゲット共振器とソース共振器との間の相互共振の有無を決定する制御部と、
    前記相互共振の有無に応じてデータを変調する変調部と、
    前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器からデータを受信する受信部と、
    前記ソース共振器に格納された電力量に基づいて前記データを復調する復調部と、
    を備えることを特徴とする無線電力を用いる通信システム。
  25. ターゲット共振器と自励共振するソース共振器との間の相互共振の有無を決定するステップと、
    前記相互共振の有無に応じてデータを変調するステップと、
    を含むことを特徴とする無線電力を用いる通信方法。
  26. ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器からデータを受信するステップと、
    前記ソース共振器に格納された電力量に基づいて前記データを復調するステップと、
    を含むことを特徴とする無線電力を用いる通信方法。
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