JP5975555B1 - 伝送システム、伝送装置、および伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率を向上可能な伝送システム、伝送装置、および伝送方法を提供する。【解決手段】伝送システム１００は、所定の周波数の電力を出力する発振器を含む第１送受電装置１１０と、特性インピーダンスが第１送受電装置１１０のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部１４０と、昇圧部１４０を介して供給される所定の周波数の電力を整流する整流部を含む第２送受電装置１２０と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、導体または誘電体からなる伝送媒体を介して高周波信号または高周波電力の伝送を行う、伝送システム、伝送装置、および伝送方法に関する。

送電装置と受電装置とを接触または近接させて高周波（例えば１０ｋＨｚから１０ＧＨｚ）の電力を伝送する電力伝送システムが知られている。

例えば、特許文献１には、昇圧トランスにより構成される昇圧部を備える送電装置が開示されている。特許文献１に開示された送電装置は、昇圧部において、電圧を例えば１００〜１０ｋＶに昇圧してから、電界結合により受電装置に電力を伝送する。

また、例えば、特許文献２には、圧電トランスを備える送電装置が開示されている。特許文献２に開示された送電装置では、圧電トランスが、交流電圧を昇圧してから送電側コイルに印加することで、磁界結合によって送電を行う。

特開２０１４−３３５４６号 特開２０１５−１５６７４１号

電力伝送装置が導体または誘電体により構成される伝送媒体を介して高周波電力を伝送する場合、電力伝送装置から伝送された高周波電力は、受電装置の整流回路に入力される際に、伝送媒体内で生じる伝送損失により電圧が低下する。整流回路における受電電圧が小さいほど、受電電圧に対する、受電装置が備えるダイオードの順方向電圧降下の割合が高くなる。その結果、インピーダンスマッチング（インピーダンス整合ともいう）を行っても、受電装置における受電電力の大部分はダイオード中で損失する。そのため、電力伝送装置における電力の伝送効率が低くなりやすい。

電力伝送装置から受電装置に伝送される高周波電力の電圧をトランス（変圧器）を用いて昇圧する場合において、例えば、トランスの二次コイルと一次コイルの巻き数の比をＮとすると、一次コイル側から二次コイル側に電力を送るとき、二次コイル側に出力される電圧は一次コイルに入力された電圧のＮ倍になる。しかし、二次コイル側から一次コイル側に電力を送る場合、一次コイル側に出力される電圧は二次コイルに入力された電圧のＮ分の１倍になる。このように、トランスを使用した場合、所定の一方向に電力を送る場合には昇圧されるが、反対方向に電力を送る場合には降圧されるので、双方向の電力の伝送において昇圧が求められる場合には、トランスの使用は適さない。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、伝送効率を向上可能な伝送システム、伝送装置、および伝送方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の観点に係る伝送システムは、
所定の周波数の電力を出力する発振器を含む第１伝送部と、
特性インピーダンスが前記第１伝送部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部と、
前記昇圧部を介して供給される前記所定の周波数の電力を整流する整流部を含む第２伝送部と、を備える。

また、第２の観点に係る伝送システムにおいて、
前記昇圧部は、分布定数回路により構成される伝送線路である。

また、第３の観点に係る伝送システムにおいて、
前記昇圧部は、インダクタとコンデンサとを含む集中定数回路により構成される伝送線路の等価回路である。

また、第４の観点に係る伝送システムにおいて、
前記昇圧部は、一の端子から入力される信号に対して他の端子から出力される信号の位相が９０度又は−９０度遅延する回路により構成される。

また、第５の観点に係る伝送システムにおいて、
前記第１伝送部および前記第２伝送部はそれぞれ結合電極を備え、
前記第１伝送部および前記第２伝送部の前記結合電極が伝送媒体に電気的に結合した状態で、前記第１伝送部から前記第２伝送部に前記所定の周波数の電力が伝送される。

また、第６の観点に係る伝送システムにおいて、
前記昇圧部は、前記第１伝送部および前記第２伝送部がそれぞれ備える結合電極と、前記伝送媒体とを含んで構成される。

また、第７の観点に係る伝送システムにおいて、
前記伝送媒体は導体または誘電体である。

また、第８の観点に係る伝送システムにおいて、
前記第１伝送部は、所定の周波数の電力を整流する整流部をさらに含み、
前記第２伝送部は、所定の周波数の電力を出力する発振器をさらに含み、
前記昇圧部は、特性インピーダンスが前記第２伝送部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記第２伝送部が出力する所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する。

また、第９の観点に係る伝送システムにおいて、
前記第１伝送部は、前記所定の周波数の電力を符号化した所定の周波数の信号を出力する。

また、第１０の観点に係る伝送システムにおいて、
前記第１伝送部はリーダライタであり、前記第２伝送部はＲＦタグである。

また、第１１の観点に係る伝送装置は、
所定の周波数の電力の伝送動作を制御する送受電制御部と、
前記送受電制御部に接続される結合電極と、
前記送受電制御部に接続される、ほぼ９０度の電気長の端末線路と、
前記結合電極と前記端末線路の間に接続されるインダクタとを備える。

また、第１２の観点に係る伝送方法は、
所定の周波数の電力を発生させる発振器を備える送電部と、特性インピーダンスが前記送電部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部と、前記所定の周波数の電力を整流する整流部とを備える伝送システムにおける伝送方法であって、
前記昇圧部が、前記所定の周波数の電力を反射および共振させることにより、前記所定の周波数の電力のインピーダンス及び電圧を上昇させるステップと、
前記昇圧部が、前記インピーダンス及び電圧を上昇させた所定の周波数の電力を、前記整流部に供給するステップとを含む。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

本発明の一実施形態に係る高周波伝送システムの原理を説明するための機能ブロック図である。 図１の受電装置が備える整流器の一例を示す回路図である。 図１の昇圧部が有する４分の１波長伝送線路の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る高周波伝送システムの概略構成を示す機能ブロック図である。 昇圧部が備える４分の１波長伝送線路の変形例を示す図である。 高周波伝送システムの一例の概略構成を示す機能ブロック図である。 図６の端末線路の動作の仕組みを説明する概略図である。 図７における伝送装置の動作を模式的に示す図である。 図６における高周波伝送システムの動作を模式的に示す図である。 伝送装置と伝送媒体との結合方法の例を模式的に示す図である。 伝送媒体を介して伝送を行う高周波伝送システムとして実現した、本実施形態に係る高周波伝送システムの一例を示す機能ブロック図である。 昇圧部を備える電力伝送装置同士による高周波伝送システムの概略構成を示す機能ブロック図である。 伝送媒体を介して伝送を行う高周波伝送システムとして実現した、本実施形態に係る高周波伝送システムの他の一例を示す機能ブロック図である。 図１３に示す高周波伝送システムの等価回路を示す図である。 電力を伝送すると共に通信を行う電力伝送システムの概略構成を示す機能ブロック図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。

高周波（例えば１０ｋＨｚから１０ＧＨｚ）伝送システムでは、送電側と受電側との間でインピーダンス整合を行って反射波を減らすことで、システム全体の伝送効率を向上させる場合がある。しかし、ダイオードを含む非線形な回路では、インピーダンス整合を行うよりも、受電側における受電電圧を高くすることにより、受電電圧に対するダイオードの順方向電圧降下の割合を減らす方が、高周波伝送システム全体における電力の伝送効率を向上できる場合がある。本実施形態においては、受電側における受電電圧を高くする高周波伝送システムについて説明する。

まず、本実施形態に係る高周波伝送システムにおける高周波伝送の原理について、図１〜図３を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る高周波伝送システムの原理を説明するための機能ブロック図である。高周波伝送システム１０は、送電装置２０と、受電装置３０と、昇圧部４０とを備える。高周波伝送システム１０において、送電装置２０は、高周波電力または高周波信号を出力する。本実施形態では、送電装置２０は高周波電力を出力するとして、以下説明する。送電装置２０から出力された高周波電力は、昇圧部４０で昇圧され、受電装置３０に入力される。

送電装置２０は、電源２１と高周波発振器２２とを備える。電源２１は、高周波発振器２２に供給する電力を出力する。高周波発振器２２は、電源２１から供給された電力に基づき、所定の周波数または可変周波数の高周波電力を出力する。

受電装置３０は、整流器３１と、負荷３２とを備える。整流器３１は、昇圧部を介して送電装置２０から受電装置３０に供給された高周波電力を直流電力に変換する。図２は、受電装置３０が備える整流器３１の一例を示す回路図である。図２に示す整流器３１は、２個のキャパシタ３３と、２個のダイオード３４とを備える、いわゆる半波倍電圧整流回路である。また、受電装置３０において、負荷３２は整流器３１に接続され、負荷３２には整流器３１で整流した直流電力が供給される。

昇圧部４０は、送電装置２０と受電装置３０との間に接続され、送電装置２０から出力される高周波電力を昇圧して受電装置３０の整流器３１に供給する。昇圧部４０は、送電装置２０のインピーダンスよりも特性インピーダンスが高い、４分の１波長伝送線路と等価な電気特性を有する。ここで、４分の１波長伝送線路とは、電気的な長さが４分の１波長の伝送線路をいい、つまり、出力端における高周波電力の位相が入力端における高周波電力の位相に比べて９０度遅延する回路をいう。言い換えると、昇圧部４０のＳパラメータ（散乱行列における散乱パラメータ）は、Ｓ２１（二端子対回路において一の端子から信号を入力したときに他の端子を通過する信号）の位相が−９０度である。また、特性インピーダンスとは、伝送線路中を高周波信号または高周波電力が反射することなく伝送されるときの電圧と電流の比をいう。

図３は、昇圧部４０が有する４分の１波長伝送線路の一例を模式的に示す図であり、いわゆるマイクロストリップ線路を示す図である。昇圧部４０は、誘電体４１と、誘電体４１の一方の面に設けられた導体４２と、誘電体４１の他方の面に設けられた帯状の導体４３とを備える。昇圧部４０の長さ、つまり入力側から出力側までの長さは、伝送する高周波信号の波長の４分の１波長である。

送電装置２０のインピーダンスよりも特性インピーダンスが高く、長さが４分の１波長の伝送線路と等価な電気特性を持つ昇圧部４０は、インピーダンス変換器の役割を果たす。すなわち、送電装置２０から出力された高周波電力は、昇圧部４０で反射および共振することにより、より高いインピーダンスに変換される。そのため、昇圧部４０は、送電装置２０から出力された高周波電力の電流を小さくし、電圧を大きくして、受電装置３０に供給する。

本実施形態に係る高周波伝送システムは、上述の原理で高周波電力の昇圧を行う昇圧部４０を備えることにより、双方向の高周波電力の昇圧を行う。昇圧部４０は、伝送線路と等価な電気特性を有し、入出力の構造が対称であるので、高周波電力の伝送の方向によらず、送電側から出力される高周波電力の電圧よりも、受電側に供給される高周波電力の電圧を大きくすることができる。

次に、本実施形態に係る高周波伝送システムの詳細について説明する。図４は、本実施形態に係る高周波伝送システムの概略構成を示す機能ブロック図である。

本実施形態に係る高周波伝送システム１００は、第１送受電装置１１０と、第２送受電装置１２０と、昇圧部１４０とを備える。第１送受電装置１１０及び第２送受電装置１２０は、送電部１５０及び受電部１６０を備える。送電部１５０は、図１の送電装置２０に相当する機能を有し、受電部１６０は、整流器を備え、図１の受電装置３０に相当する機能を有する。第１送受電装置１１０及び第２送受電装置１２０は、いずれも送電部１５０及び受電部１６０を備えるので、高周波伝送システム１００は、第１送受電装置１１０と第２送受電装置１２０との間で、双方向に高周波電力を伝送可能である、

昇圧部１４０は、第１送受電装置１１０と第２送受電装置１２０との間に接続され、第１送受電装置１１０および第２送受電装置１２０の一方から出力された高周波電力を昇圧して、他方に供給する。昇圧部１４０は、高周波電力を出力する第１送受電装置１１０及び第２送受電装置１２０のインピーダンスよりも特性インピーダンスが高い、４分の１波長伝送線路と等価な電気特性を有する。

第１送受電装置１１０のインピーダンスは、第１送受電装置１１０の送電部１５０から出力される高周波電力が反射しないような負荷を第１送受電装置１１０に接続したときに、送電部１５０から出力される出力電圧と出力電流の比で表される。このときの第１送受電装置１１０のインピーダンスをＺ１とし、出力電圧をＶ１とする。また、第２送受電装置１２０のインピーダンスも同様にして表される。第２送受電装置１２０のインピーダンスをＺ２とし、出力電圧をＶ２とする。また、昇圧部１４０の特性インピーダンスをＺ３とする。

まず、第１送受電装置１１０から第２送受電装置１２０に高周波電力を伝送する場合について説明する。この場合、昇圧部１４０の出力側から出力される高周波電力、つまり第２送受電装置１２０に供給される高周波電力のインピーダンスＺ１´と、入力電圧Ｖ１´とは、次の２式により表される。

昇圧部１４０の特性インピーダンスＺ３は、高周波電力を出力する第１送受電装置１１０のインピーダンスＺ１よりも高い（Ｚ３＞Ｚ１）ので、上記数式（２）に基づき、第２送受電装置１２０に入力される入力電圧Ｖ１´は第１送受電装置１１０の出力電圧Ｖ１より高くなる。

反対に、第２送受電装置１２０から第１送受電装置１１０に高周波電力を伝送する場合、昇圧部１４０の出力側から出力される高周波電力、つまり第１送受電装置１１０に供給される高周波電力のインピーダンスＺ２´と、入力電圧Ｖ２´とは、次の２式により表される。

昇圧部１４０の特性インピーダンスＺ３は、高周波電力を出力する第２送受電装置１２０のインピーダンスＺ２よりも高い（Ｚ３＞Ｚ２）ので、上記数式（４）に基づき、第１送受電装置１１０に入力される入力電圧Ｖ２´は第２送受電装置１２０の出力電圧Ｖ２より高くなる。

このように、高周波伝送システム１００は、送電側の送受電装置のインピーダンスよりも特性インピーダンスの高い４分の１波長伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部１４０を備えるので、伝送方向にかかわらず、送電電圧よりも受電電圧を高くすることができる。また、高周波伝送システム１００によれば、昇圧部１４０により、電力の送電側からの送電電圧よりも、受電側における受電電圧を高くすることができるので、受電電圧に対する受電側のダイオードの順方向電圧降下の割合を減らすことができる。そのため、高周波伝送システム１００は、システム全体における電力の伝送効率を向上できる。

ここで、昇圧部１４０が有する４分の１波長伝送線路の変形例について説明する。上記図３の説明において、昇圧部１４０が有する４分の１波長伝送線路がいわゆるマイクロストリップ線路であると説明したが、４分の１波長伝送線路はこれに限られず、分布定数回路により構成されていてもよい。

また、昇圧部１４０の４分の１波長伝送線路は、例えばインダクタとコンデンサによって構成される集中定数の伝送線路の等価回路であってもよい。図５は、４分の１波長伝送線路の変形例を示す図である。

集中定数の伝送線路の等価回路は、例えば図５（ａ）に示すように、いわゆるπ型の等価回路であってもよく、例えば図５（ｂ）に示すように、いわゆる平衡回路型の等価回路であってもよく、例えば図５（ｃ）に示すように、いわゆるＴ型の等価回路であってもよい。

また、集中定数の伝送線路の等価回路は、例えば図５（ｄ）に示すように、図５（ａ）のπ型の等価回路においてインダクタとコンデンサとの位置を入れ換えた、いわゆる後退波型の等価回路であってもよい。集中定数の伝送線路の等価回路が図５（ａ）に示すπ型である場合、昇圧部１４０への入力電力に対して昇圧部１４０からの出力電力の位相が９０度遅れるのに対して、集中定数の伝送線路の等価回路が図５（ｄ）に示す後退波型である場合、昇圧部１４０への入力電力に対して昇圧部１４０からの出力電力の位相が９０度進むが、昇圧部１４０としては、どちらも同様の昇圧機能を有する。従って、集中定数の伝送線路の等価回路が後退波型である場合、昇圧部１４０のＳパラメータは、Ｓ２１が＋９０度である。

また、集中定数の伝送線路の等価回路は、例えば図５（ｅ）に示すように、図５（ｄ）の後退波型の等価回路の各インダクタがグランドされた、いわゆるグランド分離型の等価回路であってもよい。

例えば、図５（ａ）に示すπ型の等価回路が備えるコンデンサのキャパシタンスをＣ、インダクタのインダクタンスをＬとし、高周波伝送システム１００において伝送される高周波電力の周波数をｆ、昇圧部１４０の特性インピーダンスをＺとする。π型の等価回路は、コンデンサ及びインダクタとして、それぞれ、Ｃ＝１／（２πｆＺ）、及びＬ＝Ｚ／（２πｆ）を満たす素子を使用することができる。図５に示した、他の集中定数の伝送線路の等価回路においても、同様に、周波数ｆと特性インピーダンスＺとに基づいて定まる所定のキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬのコンデンサ及びインダクタを使用することができる。

なお、昇圧部１４０が有する４分の１波長伝送線路は、図５に示した等価回路と伝送特性が同等の、その他の電気回路であってもよい。すなわち、昇圧部１４０は入力電力と出力電力の位相差が９０度で、特性インピーダンスが高周波電圧を送信する送信装置のインピーダンスよりも大きい、その他の回路を有していてもよい。

上述した高周波伝送システム１００は、導体または誘電体により構成される伝送媒体を介して高周波電力の伝送を行う高周波伝送システムとしても実現できる。ここで、本実施形態に係る高周波伝送システム１００を、伝送媒体を介して伝送を行う高周波伝送システムとして実現する場合における、高周波伝送の原理について、図６〜図１０を用いて説明する。

図６は、高周波伝送システムの一例の概略構成を示す機能ブロック図である。図６に示すように、高周波伝送システム２００は、２つの電力伝送装置２１１および２１２を有する。電力伝送装置２１１および２１２は、それぞれ図４の第１送受電装置１１０及び第２送受電装置１２０に相当する。電力伝送装置２１１および２１２は、伝送媒体２５０により電気的に接続される。高周波伝送システム２１０において、電力伝送装置２１１および２１２の一方は伝送媒体２５０を介して高周波信号または電力を送信し、他方は伝送媒体２５０を介して高周波信号または電力を受信する。電力伝送装置２１１および２１２は、それぞれ送受電機２６０および２７０を備える。

送受電機２６０は両端に、入出力端子２６１ａおよび２６１ｂを備え、送受電機２７０は、両端に入出力端子２７１ａおよび２７１ｂを備える。

電力伝送装置２１１は、２個の入出力端子２６１ａおよび２６１ｂを備える。入出力端子２６１ａは、金属等の導体または誘電体により構成される端末線路２４０と電気的に結合（以下、単に「結合」という）され、入出力端子２６１ｂは、金属等の導体または誘電体により構成される伝送媒体２５０と結合される。

電力伝送装置２１１における送受電機２６０は、送受電機２６０における送受電動作を制御する制御部を備える。送受電機２６０は、伝送媒体２５０に結合した他の電力伝送装置２１２との間で、伝送媒体２５０を介した高周波信号または電力の伝送を行う。

電力伝送装置２１２は、２個の入出力端子２７１ａおよび２７１ｂを備える。入出力端子２７１ａは、金属等の導体または誘電体により構成される端末線路２４０と電気的に結合され、入出力端子２７１ｂは、金属等の導体または誘電体により構成される伝送媒体２５０と結合される。

電力伝送装置２１２における送受電機２７０は、送受電機２７０における送受電動作を制御する制御部を備える。送受電機２７０は、伝送媒体２５０に結合した他の電力伝送装置２１１との間で、伝送媒体２５０を介した高周波信号または電力の伝送を行う。なお、ここでは、電力伝送装置２１１が高周波信号または電力の送電を行い、電力伝送装置２１２が受電を行うとして説明する。

高周波伝送システム２１０により高周波信号または電力の伝送が行われる際、端末線路２４０に接続された送受電機２６０の入出力端子２６１ａから端末線路２４０に電流が流れる。これと同時に、端末線路２４０に流れる電流と大きさが同じで向きが逆の電流が、もう１個の入出力端子２６１ｂから伝送媒体２５０に流れる。このようにして、送受電機２６０は、高周波信号または電力を伝送媒体５０に送り出す。

一方、送受電機２７０には、伝送媒体２５０と結合した入出力端子２７１ｂから電流が供給される。これと同時に、送受電機２７０に供給される電流と大きさが同じで向きが逆の電流が端末線路２４０からもう１個の入出力端子２７１ａに流れる。このようにして、送受電機２７０は、高周波信号または電力を伝送媒体２５０から受け取る。

端末線路２４０は、９０度の電気長を有する。９０度の電気長とは、入出力端子２６１ａまたは入出力端子２７１ａに接続された端部２４０ａからもう一方の端部２４０ｂまでの線路の長さが、伝送する高周波信号の波長の４分の１の長さ、すなわち、入出力端子２６１ａまたは入出力端子２７１ａに接続された端部２４０ａからもう一方の端部２４０ｂまでに至るあいだに、伝送する高周波信号の位相が９０度進む長さである。

したがって、入出力端子２６１ａまたは入出力端子２７１ａに接続された端部２４０ａから端末線路２４０側に流れる電流が、端末線路２４０のもう一方の端部２４０ｂで反射し、一往復してふたたび入出力端子２６１ａまたは入出力端子２７１ａに接続された端部２４０ａに戻ると、それまでの間に２分の１波長分の距離を経て、位相が１８０度進む。

このとき、図７に示すように、電気長が９０度、すなわち長さが伝送する高周波信号の波長の４分の１で、端部２４０ｂが開放された端末線路２４０に、送受電機２６０が高周波信号を入力するので、端部２４０ｂの電圧振幅が最大で電流振幅がゼロ、端部２４０ａの電圧振幅がゼロで電流振幅が最大の定在波が端末線路２４０に発生し、端部２４０ａに電流が流れる。すなわち、端末線路２４０が９０度の電気長を有する場合には、端部２４０ａの電圧振幅がゼロである一方、電流が流れるので、図８に模式的に示すように、端部２４０ａは、仮想的にグランドに短絡されたように動作する。そのため、端末線路２４０に接続された入出力端子２６１ａおよび入出力端子２７１ａは、仮想的にグランドに接続された短絡端子とみなすことができる。

図７に示すように、端末線路２４０の電気長が９０度、すなわち、端末線路２４０の、送受電機２６０の入出力端子２６１ａおよび送受電機２７０の入出力端子２７１ａに接続される端部２４０ａから入力された信号がもう一方の端部２４０ｂで反射して一往復してくる反射波の位相が１８０度のとき、入出力端子２６１ａおよび入出力端子２７１ａに流れる電流が最大になる。そのため、端末線路２４０の電気長が９０度の場合、高周波伝送システム２１０は最も効果的に動作する。ただし、高周波伝送システム２１０は、端末線路２４０の電気長が９０度を中心に±４５度の範囲内、つまり反射波の位相が９０度より大きく２７０度より小さい範囲内で動作しても、高周波を伝送するための所定の効果を生じる。従って、端末線路２４０は、９０度を中心に±４５度の範囲内を含む、ほぼ９０度の電気長を有していればよい。

図９は、図８を参照して説明した原理を、図６の高周波伝送システム２１０全体に対応付けて説明する図である。図９に示すように、送受電機２６０の入出力端子２６１ａが、９０度の電気長の端末線路２４０によって仮想的にグランドに短絡し、送受電機２７０の入出力端子２７１ａが、もう１個の９０度の電気長の端末線路２４０によって仮想的にグランドに短絡する。また、送受電機２６０の入出力端子２６１ｂと送受電機２７０の入出力端子２７１ｂとが、伝送媒体２５０と結合することで、伝送媒体２５０を介して接続される。高周波伝送システム２１０は、実際には１個の伝送媒体２５０を介した１個の通信路のみで構成させる開回路でありながら、全体として、仮想的なグランドを介して、あたかも閉回路のように動作することによって、送受電機２６０から送受電機２７０へ高周波信号または電力を安定的に伝送することができる。

このように、送受電機２６０に接続された端末回路、送受電機２６０、送受電機２７０、および送受電機２７０に接続された端末回路を備えた高周波伝送システム２００によれば、１個の伝送媒体２５０を介して、１つの通信路のみで構成させる開回路で送受電機２６０から送受電機２７０へ高周波信号または電力を伝えることが出来る。

これにより、電力伝送装置２１１は、伝送媒体２５０と結合したときには高周波信号または電力の伝送を行い、結合していないときには伝送を行わないので、設計が容易で、簡便な構成で外部環境の影響を受けにくく、安定性の高い高周波伝送システムを提供することができる。

伝送媒体２５０は、送受電機２６０と送受電機２７０との間で、高周波信号または電力を伝送する媒体となる。伝送媒体２５０は導体もしくは誘電体、または導体と誘電体との組合せを含んで構成される。伝送媒体２５０と送受電機２６０とは、例えば図１０（ａ）に示すように、伝送媒体２５０と送受電機２６０の入出力端子２６１ｂの結合は、送受電機２６０の入出力端子２６１ｂに結合電極２６２を設け、結合電極２６２と伝送媒体２５０が近接したときに結合電極２６２と伝送媒体２５０の表面が容量結合することによって実現されてもよい。この結合は、送受電機２７０についても、同様に適用できる。この場合、送受電機２６０の結合電極２６２と、送受電機２７０の結合電極とが、伝送媒体２５０に近接しないときは、高周波信号または電力の伝送は行われない。一方、送受電機２６０の結合電極２６２と、送受電機２７０の結合電極とが、伝送媒体２５０に近接したとき、送受電機２６０から送受電機２７０に、高周波信号または電力が伝送媒体２５０経由で伝送される。

伝送媒体２５０が導体または誘電体で、伝送媒体２５０と送受電機２６０の入出力端子２６１ｂの結合が、送受電機２６０の入出力端子２６１ｂに設けられた結合電極２６２と伝送媒体２５０の表面との間の容量結合によって実現される場合、図１０（ｂ）に示すように、結合電極２６２と送受電機２６０の入出力端子２６１ｂとの間にさらにコイルを設置してもよい。この場合、コイルのインダクタンス（Ｌ）と、結合電極２６２および伝送媒体２５０の表面の間のキャパシタンス（Ｃ）とによって、ＬＣ直列共振が生じる。この結合は、送受電機２７０についても、同様に適用できる。

伝送する高周波信号または電力の周波数をｆとすると、ＬＣ直列共振をさせるときのインダクタンスＬとキャパシタンスＣとの値は下記の式（５）をみたす。

この場合、送受電機２６０の結合電極２６２と、送受電機２７０の結合電極とが伝送媒体２５０に近接しないときは、高周波信号または電力の伝送は行われない。一方、送受電機２６０の結合電極２６２と、送受電機２７０との結合電極が伝送媒体２５０に近接したとき、送受電機２６０から送受電機２７０に高周波信号または電力が伝送媒体２５０経由で伝送される。このときＬＣ直列共振をさせる場合には、ＬＣ直列共振をもちいずに容量結合のみによって結合する場合に比べて、より強く入出力端子２６１ｂおよび入出力端子２７１ｂと伝送媒体２５０とが結合し、高周波信号または電力を効率的に伝送することができる。

本実施形態に係る高周波伝送システム１００を、伝送媒体を介して伝送を行う高周波伝送システムとして実現する場合、図６〜１０を参照して説明したように、１個の伝送媒体を介した１個の経路のみで構成させる開回路でありながら、全体として、仮想的なグランドを介して、あたかも閉回路のように動作することによって、第１送受電装置１１０から第２送受電装置１２０へ高周波信号または電力を安定的に伝送することができる。この高周波伝送システムは、誘電体である人体を伝送媒体として使用する、いわゆる人体通信システムとしても実現できる。

図１１は、伝送媒体を介して伝送を行う高周波伝送システムとして実現した、本実施形態に係る高周波伝送システムの一例を示す機能ブロック図である。

高周波伝送システム３００は、第１電力伝送装置３１０と、第２電力伝送装置３２０と、伝送媒体３３０とを備える。第１電力伝送装置３１０と、第２電力伝送装置３２０とは、導体または誘電体により構成される伝送媒体３３０と結合し、伝送媒体３３０を介して、図６〜１０で説明した原理に基づき、高周波電力の伝送を行う。

第１電力伝送装置３１０は、送受電制御部３１１と、送受電制御部３１１に直列に接続されたインダクタ３１２及び結合電極３１３と、端末線路とを備える。送受電制御部３１１は、第１電力伝送装置３１０における高周波電力の伝送動作を制御する。また、第１電力伝送装置３１０の端末線路は、例えば９０度の電気長を有する誘電体により構成され、高周波伝送システム３００における伝送動作に際して、仮想的なグランドとして機能する。

第２電力伝送装置３２０は、送受電制御部３２１と、送受電制御部３２１に直列に接続されたインダクタ３２２及び結合電極３２３と、昇圧部３２４と、端末線路とを備える。送受電制御部３２１は、第２電力伝送装置３２０における高周波電力の伝送動作を制御する。また、第２電力伝送装置３２０の端末線路は、例えば９０度の電気長を有する誘電体により構成され、高周波伝送システム３００における伝送動作に際して、仮想的なグランドとして機能する。また、昇圧部３２４は、送受電制御部３２１に接続される。昇圧部３２４は、高周波電力を出力する送受電制御部３１１および３２１のインピーダンスよりも特性インピーダンスが高い、４分の１波長伝送線路と等価な電気特性を有する。

第１電力伝送装置３１０と第２電力伝送装置３２０とが、それぞれ結合電極３１３および３２３を介して伝送媒体３３０と結合することによって、伝送媒体３３０を介した高周波電力の伝送が実現される。この場合、図１０（ｂ）で説明した原理により、高周波伝送システム３００における効率的な高周波伝送が実現される。

図１１に示す高周波伝送システム３００によれば、図４を参照して説明した原理により、昇圧部３２４が、送電側の送受電制御部のインピーダンスよりも特性インピーダンスの高い４分の１波長伝送線路と等価な電気特性を有するので、高周波電力の伝送方向にかかわらず、送電電圧よりも受電電圧を高くすることができる。そのため、高周波伝送システム３００によれば、昇圧部３２４により、送電側からの送電電圧よりも、受電側における受電電圧を高くできるので、受電電圧に対する受電側のダイオードの順方向電圧降下の割合を減らすことができ、システム全体における電力の伝送効率を向上できる。

ところで、図１１に示す高周波伝送システム３００において、第１電力伝送装置３１０は昇圧部を備えず、第２電力伝送装置３２０は昇圧部３２４を備えるとして説明した。しかしながら、昇圧部を備える電力伝送装置同士では、送電電圧よりも受電電圧を高くするという効果は生じない。

図１２は、昇圧部を備える電力伝送装置同士による高周波伝送システムの概略構成を示す機能ブロック図である。図１２に示す第１送受電装置１１０、第２送受電装置１２０及び昇圧部１４０は、それぞれ図４に示す第１送受電装置１１０、第２送受電装置１２０及び昇圧部１４０に対応する。図１２では、図４と異なり、第１送受電装置１１０と第２送受電装置１２０との間に２つの昇圧部１４０が設けられている。２つの昇圧部１４０の特性インピーダンスは、等しい（Ｚ３）とする。

図１２に示す高周波伝送システムにおいて、第１送受電装置１１０のインピーダンスをＺ１とし、出力電圧をＶ１とする。第１送受電装置１１０から第２送受電装置１２０に高周波電力を伝送する場合、第１送受電装置１１０からの出力電圧Ｖ１は、１つ目の昇圧部１４０により、数式（２）に基づいて算出される、出力電圧Ｖ１よりも電圧が高い出力電圧Ｖ１´を出力する。しかし、１つ目の昇圧部１４０からの出力電圧Ｖ１´が、２つ目の昇圧部１４０に入力されると、２つ目の昇圧部からは、数式（２）に基づいて算出される電圧Ｖ１が出力される。このように、２つの昇圧部１４０を介した高周波電力の伝送においては、１つ目の昇圧部１４０で電力が昇圧されるが、２つ目の昇圧部１４０では、一度昇圧された電力が降圧される。そのため、上述の例のように２つの昇圧部を介した高周波電力の伝送を行う場合、第１送受電装置１１０からの送電電圧と、第２送受電装置１２０への入力電圧とは、等しくなり、送電電圧よりも受電電圧を高くするという効果は生じない。これは、第２送受電装置１２０から第１送受電装置１１０に高周波電力を伝送する場合においても同様である。

図１３は、伝送媒体を介して伝送を行う高周波伝送システムとして実現した、本実施形態に係る高周波伝送システムの他の一例を示す機能ブロック図である。

高周波伝送システム４００は、第１電力伝送装置４１０と、第２電力伝送装置４２０と、伝送媒体４３０とを備える。第１電力伝送装置４１０と、第２電力伝送装置４２０とは、導体または誘電体により構成される伝送媒体４３０と結合し、伝送媒体４３０を介して、図６〜１０で説明した原理に基づき、高周波電力の伝送を行う。

第１電力伝送装置４１０は、送受電制御部４１１と、送受電制御部４１１に接続された結合電極４１３と、送受電制御部４１１に接続された端末線路４１４と、結合電極４１３および端末線路４１４の間に設けられるインダクタ４１２と、を備える。送受電制御部４１１は、第１電力伝送装置４１０における高周波電力の伝送動作を制御する。また、第１電力伝送装置４１０の端末線路４１４は、例えば９０度の電気長を有する誘電体により構成され、高周波伝送システム４００における伝送動作に際して、仮想的なグランドとして機能する。

第２電力伝送装置４２０は、送受電制御部４２１と、送受電制御部４２１に接続された結合電極４２３と、送受電制御部４２１に接続された端末線路４２４と、結合電極４２３および端末線路４２４の間に設けられるインダクタ４２２と、を備える。送受電制御部４２１は、第２電力伝送装置４２０における高周波電力の伝送動作を制御する。また、第２電力伝送装置４２０の端末線路４２４は、例えば９０度の電気長を有する誘電体により構成され、高周波伝送システム４００における伝送動作に際して、仮想的なグランドとして機能する。

第１電力伝送装置４１０と第２電力伝送装置４２０とが、それぞれ結合電極４１３および４２３を介して伝送媒体４３０と結合することによって、伝送媒体４３０を介した高周波電力の伝送が実現される。このとき、結合電極４１３および４２３のそれぞれと伝送媒体４３０との結合において形成されるキャパシタンスと、インダクタ４１２および４２２と、端末線路４１４および４２４により形成される仮想的なグランドとが、図１４に示す回路を形成する。図１４に示す等価回路は、図５（ｅ）に示すグランド分離型の集中定数の伝送線路の等価回路と同じであり、従って、高周波電力の伝送に際しては、結合電極４１３および４２３と、伝送媒体４３０と、インダクタ４１２および４２２と、端末線路４１４および４２４とが、ここまで図１１における昇圧部３２４と同様に機能する。

このように、図１３に示す高周波伝送システム４００においては、昇圧部として、「特性インピーダンスが送電側のインピーダンスよりも高く、長さが４分の１波長の伝送線路と等価な回路」を２等分した回路が、それぞれ送電側と受電側の電力伝送装置４１０および４２０に実装される。従って、伝送媒体４３０を介して２個の電力伝送装置４１０および４２０が互いに電力伝送を行う場合に、昇圧部が２等分された回路が、伝送媒体４３０を挟んで、全体として１個の昇圧部として送電側と受電側との間に位置することによって、高周波伝送システムの伝送効率が高まる。

また、本実施形態において説明した高周波電力を伝送する高周波伝送システムは、高周波信号を伝送する高周波伝送システムとしても実現できる。高周波信号を伝送する高周波伝送システムにおいて、特性インピーダンスが送電側のインピーダンスよりも高く長さが４分の１波長の伝送線路と等価な回路からなる昇圧部を設けることにより、受電側のＡ／Ｄコンバータに入力する信号の電圧振幅を増幅させ、通信システムのＳ／Ｎ比を改善して受電感度を改善できる。

また、本実施形態において説明した高周波電力を伝送する高周波伝送システムは、高周波電力を符号化した高周波信号を、伝送媒体と昇圧部を介して伝送し、電力を伝送すると共に通信を行う電力伝送システムとしてもよい。図１５は、上記実施形態で説明した高周波伝送システムを、電力を伝送すると共に通信を行う電力伝送システムとして実現した場合の概略構成を示す機能ブロック図である。

図１５に示すように、電力伝送システム５００は、第１電力伝送装置５１０と、第２電力伝送装置５２０と、伝送媒体５３０とを備える。

電力伝送システム５００の第１電力伝送装置５１０は、図１３に示す高周波伝送システム４００の第１電力伝送装置４１０と比較して、送受電制御部４１１に代えてリーダライタ部５１１を備える。リーダライタ部５１１は、制御部５１５と、送信部５１６と、受信部５１７とを備える。リーダライタ部５１１は、制御部５１５の制御により、送信部５１６から第２電力伝送装置５２０に電力を含む読取信号を送信し、受信部５１７で第２電力伝送装置５２０からの信号（反射波）を受信する。

電力伝送システム５００の第２電力伝送装置５２０は、図１３に示す高周波伝送システム４００の第２電力伝送装置４２０と比較して、送受電制御部４２１に代えてＲＦタグ部５２１を備える。ＲＦタグ部５２１は、制御部５２５と、送信部５２６と、整流および受信部５２７と、メモリ５２８とを備える。ＲＦタグ部５２１は、制御部５２５の制御により、整流および受信部５１７において、第１電力伝送装置５１０からの読取信号を受信し、メモリ５２８に格納された情報（例えばＩＤ情報を含む）を読み出し、読み出した情報を、負荷変調された反射波として送信部５２６から第１電力伝送装置５１０に送信する。

電力伝送システム５００は、第１電力伝送装置５１０の結合電極５１３と第２電力伝送装置５２０の結合電極５２３とが伝送媒体５３０に結合した状態で伝送を行う。このとき、結合電極５１３および５２３のそれぞれと伝送媒体５３０との結合において形成されるキャパシタンスと、インダクタ５１２および５２２と、端末線路５１４および５２４により形成される仮想的なグランドとが、図５（ｅ）に示すグランド分離型の集中定数の伝送線路の等価回路を形成し、昇圧部として機能する。そのため、電力伝送システム５００において、ＲＦタグ部５２１は、伝送媒体５３０と昇圧部とを介して、受信した電力に基づいてメモリ５２８の情報を読み出して符号化し、符号化した高周波信号を同じ伝送媒体５３０と昇圧部を介してリーダライタ部５１１に伝送する。リーダライタ部５１１は、受信した信号を復号し、外部にデータ転送する。

なお、本実施形態に係る伝送システムは、例えば誘電体である人体を通信媒体にして、人体が電極と結合したときに通信が確立する人体通信システムとしても実現できる。

以上、実施形態を参照しながら、本発明について詳説した。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、当業者であれば、該実施形態の修正や代用を成し得る。すなわち、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

また、本明細書の記載は、本明細書に記載される発明の全てを意味するものではない。換言すれば、本明細書の記載は、この出願では請求されていない発明の存在、すなわち、将来、分割出願されたり、補正により追加されたりする発明の存在を否定するものではない。

本明細書においては、例示という形態で本発明を開示したのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。

１０、１００、２００、２１０、３００ 高周波伝送システム
２０ 送電装置
２１ 電源
２２ 高周波発振器
３０ 受電装置
３１ 整流器
３２ 負荷
３３ キャパシタ
３４ ダイオード
４０、１４０、３２４ 昇圧部
４１ 誘電体
４２、４３ 導体
５０、２５０、４３０、５３０ 伝送媒体
１１０ 第１送受電装置
１２０ 第２送受電装置
１５０ 送電部
５１６、５２６ 送信部
１６０ 受電部
５１７、５２７ 受信部
２１１、２１２ 電力伝送装置
２４０、４１４、４２４、５１４ 端末線路
２４０ａ、２４０ｂ 端部
２６０、２７０ 送受電機
２６１ａ、２６１ｂ、２７１ａ、２７１ｂ 入出力端子
２６２、３１３、３２３、４１３、４２３、５１３、５２３ 結合電極
３１０、４１０、５１０ 第１電力伝送装置
３１１、３２１、４１１、４２１ 送受電制御部
３１２、３２２、４１２、４２２、５１２ インダクタ
３２０、４２０、５２０ 第２電力伝送装置
５００ 電力伝送システム
５１１ リーダライタ部
５１５、５２５ 制御部
５２１ ＲＦタグ部
５２８ メモリ

Claims (9)

1. 所定の周波数の電力を出力する発振器を含む第１伝送部と、
   特性インピーダンスが前記第１伝送部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部と、
   前記昇圧部を介して供給される前記所定の周波数の電力を整流する整流部を含む第２伝送部と、
   を備える伝送システムであって、
   前記第１伝送部および前記第２伝送部はそれぞれ結合電極を備え、
   前記第１伝送部および前記第２伝送部の前記結合電極が伝送媒体に電気的に結合した状態で、前記第１伝送部から前記第２伝送部に前記所定の周波数の電力が伝送され、
   前記第２伝送部は、前記昇圧部の少なくとも一部を含み、
   前記昇圧部は、一の端子から入力される信号に対して他の端子から出力される信号の位相が９０度又は−９０度遅延する回路により構成されるとともに、前記第１伝送部および前記第２伝送部がそれぞれ備える結合電極と、前記伝送媒体とを含んで構成される、
   伝送システム。
2. 前記昇圧部は、分布定数回路により構成される伝送線路である、請求項１に記載の伝送システム。
3. 前記昇圧部は、インダクタとコンデンサとを含む集中定数回路により構成される伝送線路の等価回路である、請求項１に記載の伝送システム。
4. 前記伝送媒体は導体または誘電体である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の伝送システム。
5. 所定の周波数の電力を出力する発振器を含む第１伝送部と、
   特性インピーダンスが前記第１伝送部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部と、
   前記昇圧部を介して供給される前記所定の周波数の電力を整流する整流部を含む第２伝送部と、
   を備える伝送システムであって、
   前記第１伝送部および前記第２伝送部はそれぞれ結合電極を備え、
   前記第１伝送部および前記第２伝送部の前記結合電極が伝送媒体に電気的に結合した状態で、前記第１伝送部から前記第２伝送部に前記所定の周波数の電力が伝送され、
   前記第２伝送部は、前記昇圧部の少なくとも一部を含み、
   前記第１伝送部は、所定の周波数の電力を整流する整流部をさらに含み、
   前記第２伝送部は、所定の周波数の電力を出力する発振器をさらに含み、
   前記昇圧部は、特性インピーダンスが前記第２伝送部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記第２伝送部が出力する所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する、
   伝送システム。
6. 前記第１伝送部は、前記所定の周波数の電力を符号化した所定の周波数の信号を出力する、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の伝送システム。
7. 前記第１伝送部はリーダライタであり、前記第２伝送部はＲＦタグである、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の伝送システム。
8. 所定の周波数の電力の伝送動作を制御する送受電制御部と、
   前記送受電制御部に接続される結合電極と、
   前記送受電制御部に接続される、ほぼ９０度の電気長の端末線路と、
   前記結合電極と前記端末線路の間に接続されるインダクタと
   を備える、伝送装置であって、
   前記結合電極と、前記端末線路と、前記インダクタとは、前記結合電極に電気的に結合された伝送媒体を介して当該伝送装置が他の伝送装置との間で電力を伝送する際に、前記電力を昇圧する昇圧部の一部として機能する、伝送装置。
9. 所定の周波数の電力を発生させる発振器を備える送電部及び伝送媒体に結合する結合電極を有する送信装置と、前記所定の周波数の電力を整流する整流部及び前記伝送媒体に結合する結合電極を有する受信装置と、特性インピーダンスが前記送電部のインピーダンスよりも高く、電気的な長さが前記所定の周波数に対応する波長の４分の１の長さである伝送線路と等価な電気特性を有する昇圧部と、を備える伝送システムにおける伝送方法であって、
   前記昇圧部が、前記所定の周波数の電力を反射および共振させることにより、前記所定の周波数の電力のインピーダンス及び電圧を上昇させるステップと、
   前記昇圧部が、前記インピーダンス及び電圧を上昇させた所定の周波数の電力を、前記整流部に供給するステップと
   を含み、
   前記昇圧部は、前記送信装置の結合電極と、前記受信装置の結合電極とを含んで構成される、伝送方法。

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