JP7171936B2

JP7171936B2 - 無線受電装置、無線送電装置、ワイヤレスイヤホン、ｌｅｄ装置及び無線送受電システム

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Publication number: JP7171936B2
Application number: JP2021548098A
Authority: JP
Inventors: 勝英市川; 保夫矢作; 仁秋山
Original assignee: Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: US20220320910A1; JPWO2021059453A1; JP2023022032A; WO2021059453A1; CN114402504A; JP7439212B2

Description

本発明は、無線受電装置、無線送電装置及びそれらを用いた無線送受電技術に係り、例えば、ＩｏＴ機器や携帯端末など小型携帯機器のバッテリに非接触により充電を行う無線充電や回転体などに実装されたセンサなどへの無線給電技術に関する。

携帯端末などの携帯機器などでは小型、薄型化が進んだ反面、充電の時のコネクタ接続が煩わしい状況にあり、無線給電による充電の要求が高まっている。無線給電には、マイクロ波などの電波を用いるものや磁界結合を用いた電磁誘導方式などが検討されている。これらのうち、電磁誘導方式は伝送距離が数ｃｍ程度であるが送受電に用いられるコイルの伝送効率は９０％程度の高い効率が得られていることから、携帯機器向けの無線充電機器の製品化が進んでいる。これに対し、ＧＨｚ帯を用いたマイクロ波給電は伝送効率が悪い反面、数ｍ程度の伝送距離が期待できるため、例えば、携帯機器で通話をしながらの無線電力伝送による充電やガスや水道の使用量を検出するために設置されたセンサ類などのＩｏＴ機器への無線充電も期待できることから実用化が望まれている。

特許文献１は、マイクロ波を用いた無線電力伝送を実現するものである。特許文献１において、受電装置に搭載されたビーコン信号発振器からのビーコン信号は送電装置のフェーズドアレイアンテナにより受信される。このとき送電装置は、受信した信号の位相情報から、ビーコン信号の伝搬経路とは逆方向に伝送するようにフェーズドアレイアンテナの位相を調整して電力を送電する。このため、送受電間に障害物などがある場合でもそれを避けるような伝搬経路が形成されるため、効率が低いと言われるマイクロ波給電でも比較的高い効率が期待できる。

特開２０１４－２２３０１８号公報

特許文献１では、受電装置に搭載されたビーコン信号発振器からのビーコン信号を送電装置のフェーズドアレイアンテナで受信することでその受信伝搬経路と逆方向に送電するため、受電装置のバッテリ残量が少なくビーコン信号発振器を駆動することができないと送電装置から受電装置への送電方向が求められず送電できないという課題を有していた。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、受電装置の小型化、及び低コスト化を図りつつ、バッテリ残量が少ない場合にも無線給電ができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、請求の範囲に記載の構成を備える。その一例をあげるならば、本発明は、無線受電装置であって、ＲＦＩＤ応答器と、ビーコン信号を生成するビーコン信号発振器と、受電アンテナと、前記ビーコン信号発振器、前記ＲＦＩＤ応答器、及び前記受電アンテナの其々に接続されたＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチと、前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの切替制御を行う受電側制御回路と、を備え、前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第１入力端に前記ビーコン信号発振器が接続され、前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第２入力端に前記ＲＦＩＤ応答器が接続され、前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第１出力端に前記受電アンテナが接続され、前記無線受電装置に前記ビーコン信号を送信する電力がない場合、前記受電側制御回路は、前記ＲＦＩＤ応答器と前記受電アンテナとを接続すると共に前記ビーコン信号発振器は前記受電アンテナと非接続にする第１系統に接続制御し、前記無線受電装置に前記ビーコン信号を送信する電力がある場合は、前記受電側制御回路は、前記ビーコン信号発振器と前記受電アンテナとを接続すると共に前記ＲＦＩＤ応答器は前記受電アンテナと非接続にする第２系統に接続制御する、ことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、受電装置の小型化、及び低コスト化を図りつつ、バッテリ残量が少ない場合にも無線給電ができる技術を提供することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

第１実施形態に係る送受電システムの構成を示す図ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの構成を示す図受電装置のバッテリ残量が少なくビーコン信号が出力できない状態から給電を開始した時のタイミングチャート受電装置のバッテリ残量がありビーコン信号が送信できる場合のタイミングチャート第１実施形態に係る送受電システムの送電装置の動作を示すフローチャート第１実施形態に係る送受電システムの受電装置の動作を示すフローチャート第２実施形態に係る送受電システムの構成を示す図第３実施形態に係る送受電システムの構成を示す図第４実施形態に係る送受電システムの構成を示す図第５実施形態に係る送受電システムの構成を示す図第６実施形態に係る送受電システムの構成を示す図第７実施形態に係る送受電システムの構成を示す図ワイヤレスイヤホンを頭部に装着した状態を示す図第８実施形態に係る送受電システムの構成を示す図第９実施形態に係る送受電システムの構成を示す図

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る送受電システム１００の構成を示す図である。

図１に示すように、送受電システム１００は、無線送電装置（以下「送電装置」と略記）１０１から無線受電装置（以下「受電装置」と略記）１０２へ給電するシステムである。送電装置１０１は、ＲＦＩＤリーダ（発振器１１１、送電アンプ１１２、ＲＦＩＤを読み取るために送電を行うためのＲＦＩＤアンプ１１３、ＲＦＩＤに書き込みを行うためのＲＦＩＤ変調回路１１４、ＲＦＩＤ応答器からの変調データ信号を復調するＲＦＩＤ復調回路１２１を含んで構成される）、第１切替スイッチ１１５、送電側の送信とＲＦＩＤリーダ時の読み取りやビーコン信号の受信を信号の方向で分離するサーキュレータ１１６、各アンテナ素子に給電する信号の位相を調整して所望の方向にアンテナ指向性を持たせることができるフェーズドアレイアンテナ１１７、受電装置１０２からのビーコン信号を受信するビーコン受信回路１２２、第２切替スイッチ１２３、第１切替スイッチ１１５及び第２切替スイッチ１２３の切替制御、フェーズドアレイアンテナ１１７の位相の制御、ビーコン受信回路１２２及び送電側無線機１２５の動作を制御する送電側制御回路１２４、受電装置１０２と通信を行うための送電側無線機１２５を含む。送電側無線機１２５は、例えば、２．４ＧＨｚ帯のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などが用いられる。なお、送電周波数には、無線通信以外の利用が比較的容易にできるＩＳＭ帯において、アンテナの小型化が図れる５．８ＧＨｚ帯を用いている。

また、受電装置１０２は、受電アンテナ１４１、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２（「ＲＦＩＤ－ビーコン切替ＳＷ」と図示）、ＲＦＩＤ応答器１４３、入力フィルタ１４４、受電した電力を直流電源に変換するレクテナ１４５、整合回路１４６、電源回路１４７、バッテリ１４８、ビーコン信号発振器１５１、送電装置１０１と無線通信を行うための受電側無線機１５２、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２やビーコン信号発振器１５１などを制御する受電側制御回路１５３を含む。

送受電システム１００は、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２の切り替え動作に伴い、送電装置１０１及び受電装置１０２の動作モードが切り替わる。次に送電装置１０１での各動作モードについて説明する。

（ＲＦＩＤリーダモード）
ＲＦＩＤリーダモードでは、送電側制御回路１２４が、第１切替スイッチ１１５をＲＦＩＤ変調回路１１４側に、第２切替スイッチ１２３をＲＦＩＤ復調回路１２１側に切り替える。これにより、発振器１１１からの信号はＲＦＩＤアンプ１１３により増幅され、ＲＦＩＤ変調回路１１４によりＲＦＩＤに書き込みが必要な場合は振幅変調されて第１切替スイッチ１１５およびサーキュレータ１１６を介してフェーズドアレイアンテナ１１７に入力される。フェーズドアレイアンテナ１１７では、送電側制御回路１２４の位相制御により所望の方向にＲＦＩＤリーダ信号が出力される。このとき、受電装置１０２に搭載されたＲＦＩＤ応答器１４３から応答があった場合、その応答信号はＲＦＩＤリーダ信号の反射波となってフェーズドアレイアンテナ１１７で受信される。そして、ＲＦＩＤリーダ信号の反射波はサーキュレータ１１６と第２切替スイッチ１２３を介してＲＦＩＤ復調回路１２１に入力され、ＲＦＩＤ応答器からの信号を復調する。また、このとき受信したフェーズドアレイアンテナ１１７の各アンテナ素子の位相情報が送電側制御回路１２４に入力される。なお、ＲＦＩＤリーダ信号の周波数は、無線給電に用いられる５．８ＧＨｚと同じ周波数が用いられる。

（ビーコン受信モード）
ビーコン受信モードでは、送電側制御回路１２４が、第２切替スイッチ１２３をビーコン受信回路１２２側に切り替える。これにより、受電装置１０２からのビーコン信号をフェーズドアレイアンテナ１１７により受信し、サーキュレータ１１６、第２切替スイッチ１２３を介してビーコン受信回路１２２に入力される。このときのビーコン受信信号とフェーズドアレイアンテナ１１７の位相情報は送電側制御回路１２４に入力される。

（送電モード）
送電モードでは、送電側制御回路１２４が、第１切替スイッチ１１５を送電アンプ１１２側に切り替える。これにより、発振器１１１の信号が送電アンプ１１２により増幅され第１切替スイッチ１１５とサーキュレータ１１６を介しフェーズドアレイアンテナ１１７から送電される。このとき、送電側制御回路１２４はフェーズドアレイアンテナ１１７の指向性を調整する。これにより、送電側制御回路１２４が調整した指向性で送電される。

また、受電装置１０２の各動作モードについて説明する。

（ＲＦＩＤモード）
ＲＦＩＤモードでは、受電側制御回路１５３が、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２をＲＦＩＤ応答器１４３側に切り替える。これにより、ＲＦＩＤ応答器１４３が受電アンテナ１４１と接続され、送電装置１０１からのＲＦＩＤリーダ信号を受信するとそれに対応した応答信号を出力する。

（ビーコン出力モード）
ビーコン出力モードでは、受電側制御回路１５３が、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２をビーコン信号発振器１５１側に切り替える。これにより、ビーコン信号発振器１５１が受電アンテナ１４１と接続され、受電装置１０２からビーコン信号が出力される。なお、ビーコン信号は、受電側制御回路１５３がバッテリの充電が必要と判断した場合にのみ出力され、満充電の場合は送信されない。

（受電モード）
受電モードでは、受電側制御回路１５３が、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２を入力フィルタ１４４側に切り替える。これにより、入力フィルタ１４４が受電アンテナ１４１と接続され、受電した電力はレクテナ１４５により直流電圧に変換され整合回路１４６によりインピーダンス整合が図られた後、電源回路１４７により一定の電圧に変換され、バッテリ１４８に充電される。このときの充電時の送電電力調整などの制御は受電側無線機１５２を介して送電装置１０１の送電側無線機１２５と通信することで行われる。

以上の構成では、送電装置１０１がＲＦＩＤリーダモードのとき、受電装置１０２は、ＲＦＩＤモードとなる。また、受電装置１０２がビーコン出力モードのときは、送電装置１０１がビーコン受信モードとなり、送電装置１０１が送電モードのときは、受電装置１０２は受電モードとなることで、送受電間で通信や無線電力伝送が可能となる。特に、ＲＦＩＤモードでは、受電装置のバッテリ残量が少ない場合やバッテリがない機器でも動作可能となる。なお、フェーズドアレイアンテナ１１７により、送電周波数に近い信号を受信した場合は、送電を行わないか、信号の到来方向を避けて送電すればよい。

図２は、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２の構成を示す図である。図２に示すように、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２は、検波回路２０１、第１電界効果トランジスタ２０２、第２電界効果トランジスタ２０３、第３電界効果トランジスタ２０４、第１抵抗２０５、第２抵抗２０６、第３抵抗２０７、及び第４抵抗２０８を含む。

ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２は、受電アンテナ１４１の入力に検波回路２０１が接続され受電電力があると検波電圧を出力する構成となっている。また、ＲＦＩＤ応答器１４３、ビーコン信号発振器１５１および入力フィルタ１４４の両端にはそれぞれ第１電界効果トランジスタ２０２、第２電界効果トランジスタ２０３、第３電界効果トランジスタ２０４の各ドレインと各ソース端子が接続されるとともに、これらは、受電アンテナ１４１に対し直列に接続されている。このような構成とすることで、受電装置１０２のバッテリ１４８の残量が少なくＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２の第１電界効果トランジスタ２０２、第２電界効果トランジスタ２０３、第３電界効果トランジスタ２０４の其々がオンできない状態であってもこれらの回路は直列に接続されているため、受電アンテナ１４１とある程度のインピーダンスを持つ。

ＲＦＩＤモード時には、送電装置１０１の送電電力により検波回路２０１の出力は第４抵抗２０８を介してビーコン信号発振器１５１の出力端をショート状態にする。これにより、ＲＦＩＤ応答器１４３と入力フィルタ１４４が直列接続となるが、入力フィルタ１４４の入力インピーダンスは比較的低いので、ＲＦＩＤリーダによる受電電力はＲＦＩＤ応答器１４３の両端にほぼ印加される。よって、ＲＦＩＤ応答器１４３の動作が可能となる。

ビーコン出力モードでは、受電側制御回路１５３が第２電界効果トランジスタ２０３のゲート電圧を下げてオフ状態にするとともに、第１電界効果トランジスタ２０２、第３電界効果トランジスタ２０４のゲートにオン電圧を印加することで受電アンテナ１４１はビーコン信号発振器１５１の出力端が接続される。これにより、受電アンテナ１４１からビーコン信号が出力される。

受電モードでは、受電アンテナ１４１にはＲＦＩＤリーダよりも高い電力が受電されるため、検波回路２０１にも高い電圧が出力される。このため、検波回路２０１の出力には第１抵抗２０５と第２抵抗２０６により分圧された電圧が第３抵抗２０７を介して第１電界効果トランジスタ２０２のゲートをオン状態とするとともに、ビーコン信号発振器１５１の両出力端に接続された第２電界効果トランジスタ２０３もオン状態となる。さらに、受電側制御回路１５３は第３電界効果トランジスタ２０４をオフ状態とすることで、受電アンテナ１４１で受電した電力は入力フィルタ１４４を介してレクテナ１４５により直流電圧に変換される。

以上の構成とすることで、ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２は、バッテリ１４８の残量が少なく、第１電界効果トランジスタ２０２、第２電界効果トランジスタ２０３、第３電界効果トランジスタ２０４が動作できない状態であっても、ＲＦＩＤ応答器１４３に接続可能な構成であり、その他、ビーコン送信モード、受電モードとも切り替えが可能である。

図３は、受電装置１０２のバッテリ残量が少なくビーコン信号が出力できない状態から給電を開始した時のタイミングチャートである。

図３に示すように、バッテリ容量が少なくビーコン信号が出力できない場合、送電装置１０１はＲＦＩＤリーダモード、受電装置１０２はＲＦＩＤモードとなり、ＲＦＩＤリーダからの信号を受信した場合は、ＲＦＩＤリーダに対し、受電装置１０２の識別情報や充電の優先順位や受信信号レベルなどのデータをＲＦＩＤ応答器１４３により応答する。しかし、このとき、送電装置１０１からみた受電装置１０２が位置する方向が分からないため、送電装置１０１は、フェーズドアレイアンテナ１１７の指向性を変えながらＲＦＩＤの反応を待つ（Ｔ３０１）。

ＲＦＩＤの応答があった場合（Ｔ３０２）、送電装置１０１は送電モードに切り替えてＲＦＩＤの反応があった方向に電力を送電し、受電装置１０２は受電モードとなりバッテリ１４８に充電を行う（Ｔ３０３）。このとき、受電装置１０２側よりビーコン信号が送信されたかどうかを確認するため、送電装置１０１１はときどきビーコン受信モードに切り替わりビーコン信号の送信を待つ。

そして、ビーコン信号を出力するのに必要な電力が受電装置１０２のバッテリ１４８に蓄電されると、受電装置１０２はビーコン出力モードとなり、送電装置１０１がビーコン信号を受信する（Ｔ３０４）。送電装置１０１はビーコン信号の受信方向を基に、送電装置１０１からみた受電装置１０２の方向を判断する。

送電装置１０１は、ビーコンを受信すると送電モードとなり電力を送電する。この送電モードでは、送電装置１０１は受電装置１０２の方向に電波を集中させて（出力方向を狭めて）送電する。従って、Ｔ３０３の送電に比べて受電装置１０２は効率的に、すなわちより速く充電がされる。Ｔ３０３の送電モードを広域送電モード、Ｔ３０５の送電モードを集中送電モードという。充電中、特に集中送電モードでは、受電装置１０２が移動すると送電のフェーズドアレイアンテナ１１７の指向性を調整する必要があるため、送電装置１０１は定期的にビーコン受信モードとなる（Ｔ３０６）。集中送電モード中に、受電装置１０２が移動するなどの何らかの理由で受電装置１０２が受電できなくなった場合、受電装置１０２はビーコン出力モードに切り替わる。したがって、再度、送電装置１０１がビーコン信号を受信するのでフェーズドアレイアンテナ１１７の指向性の調整が可能となる。

図４は、受電装置１０２のバッテリ残量がありビーコン信号が送信できる場合のタイミングチャートを示したものである。

図４に示すように、受電装置１０２はバッテリ残量があるため、ビーコンモードとなっている。一方、送電装置１０１は、バッテリ残量がなくＲＦＩＤモードになっている受電装置１０２を検知するため、しばらくはＲＦＩＤリーダとなって周囲にＲＦＩＤモードの受電装置１０２がないか探す（Ｔ４０１）。しばらくして、ＲＦＩＤモードの受電装置１０２がないと分かると送電装置１０１はビーコン受信モードに遷移する。

受電装置１０２のビーコン信号を受信すると（Ｔ４０２）、送電装置１０１は集中送電モード、受電装置１０２は受電モードとなり、バッテリ１４８への充電が開始される（Ｔ４０３）。なお、バッテリ残量がない場合と同様に、フェーズドアレイアンテナ１１７の指向性を定期的に調整する必要があるため、送電装置１０１はビーコン受信モードに、受電装置１０２もビーコン出力モードに切り替わる。これにより、集中送電モード中にフェーズドアレイアンテナ１１７の指向性の調整が可能となる（Ｔ４０４）。また、受電装置１０２の充電が完了した場合は、ビーコン信号出力を停止する。これにより、送電装置１０１は送電をストップする（Ｔ４０５）。

図５は、第１実施形態に係る送受電システム１００の送電装置１０１の動作を示すフローチャートである。

図５に示すように、送電装置１０１の電源をオンにして処理が開始すると（Ｓ５０１）、送電装置１０１はＲＦＩＤリーダモードに切り替え、ＲＦＩＤの反応がないか一定の時間スキャンする（Ｓ５０２）。このスキャンは、フェーズドアレイ１０７の指向性を変えながら実施する。

もし、ＲＦＩＤの反応があった場合（Ｓ５０３：Ｙｅｓ）、送電装置１０１を広域送電モードに切り替え、送電を開始する（Ｓ５０４）。このとき、ＲＦＩＤ検知時と同一のフェーズドアレイ１０７の指向性を用いて送電を行う。一定時間が経過したら、送電装置１０１はビーコン受信モードに切り替える（Ｓ５０５）。

ビーコン信号が検知できない場合（Ｓ５０６：Ｎｏ）、広域送電モードに遷移し、再度広域送電モードで送電を行う（Ｓ５０４に戻る）。

ビーコン受電モード時にビーコン信号を検出したら（Ｓ５０６：Ｙｅｓ）、送電装置１０１は集中送電モードに切り替えて送電を行う（Ｓ５０９）。集中送電モードで送電している間、受電装置の位置を把握してフェーズドアレイアンテナ１１７の指向性を調整するために、送電装置１０１は、集中送電モードによる送電を開始後、定期的にビーコン受信モードに切り替える。なお、受電装置１０２も定期的にビーコン出力モードに切り替わる。

このように、受電装置１０２は、集中送電モード中は定期的にビーコンの有無を確認しており、ビーコンの有無で受電装置１０２の充電が終了したか判定する(Ｓ５１０)。充電が完了すると受電装置１０２はビーコンの送信をストップするため、ビーコンが受信できなかった場合は送電装置１０１の充電終了と判定して（Ｓ５１０：Ｙｅｓ）、送電をストップする（Ｓ５１１）。ビーコンが受信できた場合は（Ｓ５１０：Ｎｏ）、集中送電モードを継続する（Ｓ５０９）。なお、充電終了判定は、受電側無線機１５２から送電側無線機１２５に充電終了情報を送信することで行ってもよい。

なお、ステップＳ５０２において、送電装置１０１がＲＦＩＤモードで一定時間、ＲＦＩＤの反応がないかをスキャンした結果、反応がない場合（Ｓ５０３：Ｎｏ）、送電装置１０１はビーコンモードに切り替える（Ｓ５０７）。受電装置１０２からのビーコン信号がない場合は（Ｓ５０８：Ｎｏ）、受電装置１０２が存在しないことから、送電装置１０１はＲＦＩＤモードとなりステップＳ５０２に戻り、ＲＦＩＤの反応がないか再度スキャンを開始する。

一方、ステップＳ５０８においてビーコン信号を検出した場合（Ｓ５０８：Ｙｅｓ）、送電装置１０１を集中送電モードに切り替えて送電を開始し（Ｓ５０９）、充電が終了するまで送電を行う（Ｓ５１０、Ｓ５１１）。

図６は、第１実施形態に係る送受電システム１００の受電装置の動作を示すフローチャートである。

図６に示すように、受電装置１０２がバッテリ残量の状態を確認するところから本処理は開始する（Ｓ６０１）。バッテリ残量がなくビーコン信号を送信できない場合（Ｓ６０２：Ｎｏ）、受電装置１０２は、ＲＦＩＤモードを保持し（Ｓ６０３）、ＲＦＩＤリーダの信号があるまでＲＦＩＤモードを保持する。

受電装置１０２がＲＦＩＤ応答信号を受信すると（Ｓ６０４：Ｙｅｓ）、受電装置１０２はレクテナ受電モードに切り替える（Ｓ６０５）。このとき、送電装置１０１は広域送電モードとなっているので、ビーコンが動作するまで送電電力を受電してバッテリ１４８に充電を行う（Ｓ６０６）。

ビーコン信号発振器１５１が動作するまで充電ができたら、受電装置１０２はビーコン出力モードに遷移する（Ｓ６０７）。しばらくビーコン信号を送信したら、送電装置１０１が集中送電モードに遷移し、受電装置１０２はレクテナ受電モードに遷移して充電を行う（Ｓ６０８）。

なお、図５で示した送電装置１０１の動作を示したフローチャートと同様に充電中は受電装置１０２が移動すると送電装置１０１のフェーズドアレイアンテナ１１７の指向性を調整する必要があるため、送電装置１０１は定期的にビーコン受信モードに、受電装置１０２はビーコン出力モードに切り替わる。

受電装置１０２の充電が完了すると（Ｓ６０９：Ｙｅｓ）、受電装置１０２はビーコン送信モードに遷移しない一方、送電装置１０１は定期的にビーコン受信モードに遷移する。このとき、受電装置１０２からビーコン信号を受信しないので、送電装置１０１は送電を停止する（Ｓ６１０）。

なお、ステップＳ６０２において、バッテリ残量がある場合（Ｓ６０２：Ｙｅｓ）はステップＳ６０７へ遷移する。

第１実施形態によれば、受電装置１０２のバッテリ残量が少なくビーコン信号を送信できる電力がなくても、受電装置１０２に搭載されたＲＦＩＤ応答器１４３が送電装置１０１に搭載されたＲＦＩＤリーダに応答することで、その応答結果に基づき、送電装置１０１のフェーズドアレイアンテナ１１７を用いてＲＦＩＤリーダに指向性を持たせて広域送電モードにより給電することができる。そして、受電装置１０２がビーコン信号を送信できるまでバッテリ１４８に充電できる。受電装置１０２から送電装置１０１にビーコン信号を送信し、送電装置１０１が受信すると、ビーコン信号を基にＲＦＩＤの応答結果よりも更に高精度に受電装置１０２に相対的な方向がわかるので、その方向に向けて通常の無線給電動作（集中送電モード）で充電を行うことができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態に係る送受電システム１００ａの構成を示す図である。送受電システム１００ａは、第１実施形態の受電装置１０２とは異なる構成の受電装置１０２ａを含んで構成される。

図７に示すように、第２実施形態に係る送受電システム１００ａで用いられる受電装置１０２ａは、ＲＦＩＤアンテナ（「５．８ＧＨｚアンテナ」ともいう）７０１にＲＦＩＤ応答器１４３を接続し、ＲＦＩＤ応答器１４３は受電側制御回路１５３に接続されてない。即ち、ＲＦＩＤ応答器１４３は、受電装置１０２ａのバッテリ１４８の残量に関らず、かつ受電側制御回路１５３による制御を受けることなく、パッシブ動作を行い続ける。第１実施形態では、受電アンテナ１４１がＲＦＩＤアンテナ７０１の機能を兼任していたが、第２実施形態では、受電アンテナ１４１とは別体のＲＦＩＤアンテナ７０１を備える点で異なる。

受電アンテナ１４１には、ビーコン－電力系切替スイッチ７０３が接続される。さらに、ビーコン－電力系切替スイッチ７０３はビーコン信号発振器１５１の出力端、及び入力フィルタ１４４の入力端に接続され、どちらかを選択する構成となっている。ビーコン－電力系切替スイッチ７０３は、第１実施形態におけるＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ１４２において、ＲＦＩＤ応答器１４３への接続およびその切り替え機能を削除した構成である。

第２実施形態に係る送受電システム１００ａによれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、ＲＦＩＤ応答器１４３に接続されるＲＦＩＤアンテナ７０１がバッテリ１４８や受電側制御回路１５３の制御によって駆動する系統とは別系統となっているため、ＲＦＩＤ応答のための切替スイッチが不要となる。従って、比較的信号レベルの低いＲＦＩＤ応答器の反射波に対してレベル低下の低減が図れるため、ＲＦＩＤモードでの検知感度が図れるとともに、切替スイッチの簡略化が図れる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態に係る送受電システム１００ｂの構成を示す図である。第３実施形態に係る送受電システム１００ｂに用いられる送電装置１０１ａは、第１、第２実施形態で用いられた送電装置１０１から送電側無線機１２５が削除されている点で異なる。また受電装置１０２ｂは、第２実施形態で用いられた受電装置１０２ａから受電側無線機１５２が削除されている点、及びＲＦＩＤ応答器１４３が受電側制御回路１５３に接続される点で異なる。

送電装置１０１ａは、ＲＦＩＤモードのときにＲＦＩＤ変調回路１１４において、ＲＦＩＤリーダ信号に振幅変調をかけることができる。この振幅変調がかかったＲＦＩＤリーダ信号は、受電装置１０２のＲＦＩＤ応答器１４３において復調されることでデータの受信が可能となる。一方、ＲＦＩＤ応答器１４３からは、受電装置１０２ｂの識別情報、受信信号レベル、バッテリ残量、充電の優先順位などのデータがＲＦＩＤリーダ信号の反射となって、送電装置１０１のＲＦＩＤ復調回路１２１で復調され、送電側制御回路１２４に入力される。送電側制御回路１２４では、それらのデータから、複数の受電装置１０２ｂがあった場合の充電の優先順位の決定や、バッテリの残量の少ない機器から充電を開始するなどの充電制御を行う。

第３実施形態によれば、送電側無線機１２５及び受電側無線機１５２を削除し、その代わりにＲＦＩＤを用いることで、第２実施形態と同様の効果を得つつ、送受電装置の簡略化と低消費電力化が図れる。

＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態に係る送受電システム１００ｃの構成を示す図である。第４実施形態に係る受電装置１０２ｃは、第３実施形態に係る受電装置１０２ｂのバッテリ１４８及びビーコン信号発振器１５１が削除され、代わりに負荷回路９０１が接続される点で異なる。

第４実施形態によれば、ＲＦＩＤにより受電装置１０２ｃの位置検知と充電制御が可能であることから、第３実施形態と同様な効果が得られるのに加え、バッテリがない機器への給電も可能となる。

＜第５実施形態＞
図１０は、第５実施形態に係る送受電システム１００ｄの構成を示す図である。送受電システム１００ｄは、送電装置筐体１００１に搭載される送電装置１０１と、携帯端末１００２に搭載される受電装置１０２と、を含んで構成される。

送電装置１０１および受電装置１０２は、第１実施形態から第４実施形態の各送電装置、受電装置のどれを用いてもよい。

第５実施形態によれば、携帯端末１００２のバッテリ残量が少なくビーコン信号を送信できなくともＲＦＩＤを用いることで充電が可能となる。さらに、充電中は、携帯端末１００２が移動した場合にフェーズドアレイアンテナ１１７の方向がずれるため、定期的にビーコン信号を送信させて充電方向を調整することができる。従って、携帯端末１００２を移動しながらでも充電が可能となる。また、充電制御に用いられる無線機は、携帯端末１００２に一般的に搭載されているＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いることで受電装置の回路簡略化が可能である。

＜第６実施形態＞
図１１は、第６実施形態に係る送受電システム１００ｅの構成を示す図である。図１１に示すワイヤレスイヤホン１１０１は、受電アンテナ１１０２及びスピーカ１１０３を含む。なお、ワイヤレスイヤホン１１０１は左右対称形であるので一方のみに番号を付す。ワイヤレスイヤホン１１０１は、第１実施形態から第４実施形態の受電装置１０２が搭載されており、ワイヤレスイヤホン１１０１のバッテリなどが搭載される突起状の部分に受電アンテナ１１０２が搭載されている。

また図１１において、送電装置１０１は、携帯端末１００２を充電するとともに、左右のワイヤレスイヤホン１１０１の充電を行う。携帯端末１００２はワイヤレスイヤホン１１０１へ音楽データをＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）により伝送する。携帯端末１００２の受電装置１０２は送電装置１０１とＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いて充電制御を行っているが、携帯端末１００２はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いて音楽データの伝送も行う。このため、ワイヤレスイヤホン１１０１に対して携帯端末１００２から充電制御データを音楽データと時分割などにより重畳して伝送することにより、送電装置１０１は携帯端末１００２を経由してワイヤレスイヤホン１１０１と通信を行うことが可能である。一般に、ワイヤレスイヤホンは小型であるため、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信距離を長くとることはできない。しかし、携帯端末１００２を介して送電装置１０１と無線通信を行うことで、ワイヤレスイヤホン１１０１の通信距離の拡大が図れる。

＜第７実施形態＞
図１２は、第７実施形態に係る送受電システム１００ｆの構成を示す図である。本実施形態では、ＬＥＤ装置が受電装置を内蔵する。ＬＥＤ装置は、筐体１２０１の外表面にＬＥＤ１２０２を備え、筐体１２０１の内部に第４実施形態の受電装置１０２ｃが搭載される。ＬＥＤ１２０２は負荷回路９０１に相当する。送電装置１０１は、ＲＦＩＤを用いて受電装置１０２ｃの方向検出を行い送電モードとなる構成であり、ビーコン信号やバッテリは搭載していない。

以上の構成では、受電装置１０２ｃが簡易な構成で実現できることから、ＬＥＤなどを給電する場合に適した構成が得られる。

図１３は、ワイヤレスイヤホン１１０１を頭部１３０１に装着した状態を示す図である。１３０２はアンテから顔までの高さを示したものである。ワイヤレスイヤホン１１０１を頭部１３０１に装着した状態において、受電アンテナ１１０２と顔の皮膚までの距離ｄが携帯端末１００２との無線通信に使用する電波の４分の１波長になることが望ましい。携帯端末１００２からの電波が皮膚で反射され、その反射波が逆相となることを考えると、距離ｄが４分の１波長に等しくなると、反射波と直接波が同相となるため、アンテナ利得を高くすることができる。一例として、周波数として５．８ＧＨｚを用いた場合の４分の１波長は、１．２９ｃｍであることから、アンテナと皮膚までの距離を１．２９ｃｍとなるように設計すればアンテナ利得を高くすることができる。

設計時には、ワイヤレスイヤホン１１０１において最も突出した部分、たとえば耳に挿入する部分の先端面の延長線（延長面）と、受電アンテナ１１０２との距離を距離ｄと見做し、これが４分の１波長になるように構成してもよい。

＜第８実施形態＞
図１４は、第８実施形態に係る送受電システム１００ｇの構成を示す図である。送受電システム１００ｇに用いられる送電装置１０１は、送電装置筐体１００１に内蔵される。また、送電装置筐体１００１の外表面には表示器１４０１が備えられる。表示器１４０１には、送電装置１０１が現在、給電を行っている携帯端末の番号や名称（図１４では“Ａ１”、“Ａ２”で図示）が表示される。これにより送電装置１０１が、どの携帯端末に給電しているかを確認することができる。なお、本実施形態で用いられる受電装置１０２は、携帯端末でもよいし、ワイヤレスイヤホン、ＬＥＤ装置でもよく、その種類は問わない。

＜第９実施形態＞
図１５は、第９実施形態に係る送受電システム１００ｈの構成を示す図である。送受電システム１００ｈは、受電装置１０２を内蔵する携帯端末１００２の液晶画面１５０１に、充電モードやＲＦＩＤモードなど、どのモードであるかの状態と受電のレベルを表示する。液晶画面１５０２、１５０３は液晶画面１５０１の表示例を示す。この表示により、受電装置１０２はどの程度の受電レベルで受電しているかをユーザが知ることができる。そして、万一、受電レベルが低い場合は、効率の良い位置に携帯端末１００２を持って移動することができる。

上記した各実施形態は、本発明を限定するものではない。本発明の趣旨を逸脱しない様々な変更態様は、本発明に含まれる。

１００：送受電システム
１０１：送電装置
１０２：受電装置
１４１：受電アンテナ
１４２：ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチ
１４３：ＲＦＩＤ応答器
１４５：レクテナ
１５１：ビーコン信号発振器
１５３：受電側制御回路

Claims

無線受電装置であって、
ＲＦＩＤ応答器と、
ビーコン信号を生成するビーコン信号発振器と、
受電アンテナと、
前記ビーコン信号発振器、前記ＲＦＩＤ応答器、及び前記受電アンテナの其々に接続されたＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチと、
前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの切替制御を行う受電側制御回路と、を備え、
前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第１入力端に前記ビーコン信号発振器が接続され、
前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第２入力端に前記ＲＦＩＤ応答器が接続され、
前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第１出力端に前記受電アンテナが接続され、
前記無線受電装置に前記ビーコン信号を送信する電力がない場合、前記受電側制御回路は、前記ＲＦＩＤ応答器と前記受電アンテナとを接続すると共に前記ビーコン信号発振器は前記受電アンテナと非接続にする第１系統に接続制御し、前記無線受電装置に前記ビーコン信号を送信する電力がある場合は、前記受電側制御回路は、前記ビーコン信号発振器と前記受電アンテナとを接続すると共に前記ＲＦＩＤ応答器は前記受電アンテナと非接続にする第２系統に接続制御する、
ことを特徴とする無線受電装置。
請求項１に記載の無線受電装置において、
前記受電アンテナが受電した電力を整流するレクテナと、
バッテリと、を更に備え、
前記レクテナは、前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチの第２出力端と前記バッテリとの間に接続され、前記レクテナが整流した電力が前記バッテリに充電され、
前記受電側制御回路は、前記バッテリの残量が前記ビーコン信号の送信に必要な残量未満の場合は前記第１系統に接続制御し、前記バッテリの残量が前記ビーコン信号の送信に必要な残量以上の場合は前記第２系統に接続制御し、前記受電アンテナが受電している場合は、前記受電アンテナと前記レクテナとを接続すると共に前記ビーコン信号発振器及び前記ＲＦＩＤ応答器のいずれにも非接続とする第３系統に接続制御する、
ことを特徴とする無線受電装置。
請求項２に記載の無線受電装置であって、
前記受電側制御回路は、前記第３系統に接続制御した後、予め定められた周期で前記第２系統と前記第３系統とに交互に切替制御する、
ことを特徴とする無線受電装置。
請求項２に記載の無線受電装置において、
前記ＲＦＩＤ応答器、前記ビーコン信号発振器、及び前記レクテナは直列に接続され、
前記ＲＦＩＤ－ビーコン切替スイッチは、前記ＲＦＩＤ応答器と前記ビーコン信号発振器との間にドレインとソースとが接続された第１電界効果トランジスタ、前記ビーコン信号発振器と前記レクテナとの間にドレインとソースとが接続された第２電界効果トランジスタ、及び前記ビーコン信号発振器と前記受電側制御回路との間にドレインとソースとが接続された第３電界効果トランジスタを含んで構成される、
ことを特徴とする無線受電装置。
無線受電装置であって、
ＲＦＩＤ応答器と、
前記ＲＦＩＤ応答器に接続され、ＲＦＩＤ応答信号を送信するＲＦＩＤアンテナと、
ビーコン信号を生成するビーコン信号発振器と、
受電アンテナと、
前記ビーコン信号発振器及び前記受電アンテナの其々に接続されたビーコン-電力系切替スイッチと、
前記受電アンテナが受電した電力を整流するレクテナと、
前記ビーコン-電力系切替スイッチの切替制御を行う受電側制御回路と、を備え、
前記ＲＦＩＤ応答器は、前記受電側制御回路からの制御指示を受けることなく前記ＲＦＩＤ応答信号を前記ＲＦＩＤアンテナから送信し、
前記無線受電装置に前記ビーコン信号を送信する電力がない場合、前記受電側制御回路は、前記受電アンテナと前記レクテナとを接続すると共に前記受電アンテナと前記ビーコン信号発振器とは非接続にする第４系統に接続制御し、前記無線受電装置に前記ビーコン信号を送信する電力がある場合は、前記受電側制御回路は、前記ビーコン信号発振器と前記受電アンテナとを接続すると共に前記レクテナと前記受電アンテナとを非接続にする第５系統に接続制御する、
ことを特徴とする無線受電装置。
請求項５に記載の無線受電装置において、
前記レクテナが整流した電力を充電するバッテリを更に備え、
前記受電側制御回路は、前記バッテリの残量が前記ビーコン信号の送信に必要な残量未満の場合は前記第４系統に接続制御し、前記バッテリの残量が前記ビーコン信号の送信に必要な残量以上の場合は前記第５系統に接続制御する、
ことを特徴とする無線受電装置。
請求項６に記載の無線受電装置であって、
前記受電側制御回路は、前記第５系統に接続制御した後、予め定められた周期で前記第４系統と前記第５系統とに交互に切替制御する、
ことを特徴とする無線受電装置。
無線受電装置であって、
ＲＦＩＤ応答器と、
前記ＲＦＩＤ応答器に接続され、ＲＦＩＤ応答信号を送信するＲＦＩＤアンテナと、
受電アンテナと、
前記受電アンテナが受電した電力を整流するレクテナと、
前記レクテナが整流した電力で作動する負荷回路と、
を備えることを特徴とする無線受電装置。
請求項１から７のいずれか一つに記載の無線受電装置を搭載したワイヤレスイヤホン。
請求項８に記載の無線受電装置を搭載したＬＥＤ装置。
無線送電装置であって、
送電アンプと、
ＲＦＩＤ変調回路及びＲＦＩＤ復調回路と、
ビーコン受信回路と
フェーズドアレイアンテナと、
前記フェーズドアレイアンテナと、前記送電アンプ及び前記ＲＦＩＤ変調回路の其々との接続を切り替える第１切替回路と、
前記フェーズドアレイアンテナと、前記ＲＦＩＤ復調回路及び前記ビーコン受信回路の其々との接続を切り替える第２切替回路と、
前記第１切替回路、前記第２切替回路、及び前記フェーズドアレイアンテナの動作を制御する送電側制御回路と、を備え、
前記フェーズドアレイアンテナは、前記第１切替回路及び前記第２切替回路の其々と接続され、
前記送電側制御回路は、前記第１切替回路を介して前記ＲＦＩＤ変調回路と前記フェーズドアレイアンテナとを接続制御し、前記第２切替回路を介して前記ＲＦＩＤ復調回路と前記フェーズドアレイアンテナとを接続制御し、無線受電装置が発したＲＦＩＤ応答を前記フェーズドアレイアンテナが受信すると、前記ＲＦＩＤ応答を受信した方向を含む相対的に広角な方向に向けて前記フェーズドアレイアンテナから電力を送電する広域送電モードで送電制御し、
前記第２切替回路を介して前記ビーコン受信回路と前記フェーズドアレイアンテナとを接続制御し、無線受電装置が発したビーコン信号を前記フェーズドアレイアンテナが受信すると、前記ビーコン信号を受信した方向を含む相対的に狭角な方向に向けて前記フェーズドアレイアンテナから電力を送電する集中送電モードによる送電制御する、
ことを特徴とする無線送電装置。
請求項１１に記載の無線送電装置であって、
送電対象となる前記無線受電装置の識別情報を表示する表示器を更に備える、
ことを特徴とする無線送電装置。
請求項１１又は１２に記載の無線送電装置から、請求項１から８のいずれか一つに記載の無線受電装置に向けて無線送電を行う無線送受電システム。