JP7239642B2 - 電子機器、電力伝送システム、制御方法及び制御プログラム - Google Patents

電子機器、電力伝送システム、制御方法及び制御プログラム Download PDF

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Description

本出願は、電子機器、電力伝送システム、制御方法及び制御プログラムに関する。
特許文献１には、周波数の異なる複数の高周波信号を合成した信号を給電用信号とし、受電手段に供給すべき電力量に応じて、高周波信号の波数を設定すると共に、高周波信号を位相変調し、電力と情報の同時伝送を実現する非接触給電装置が開示されている。
特許第５５７０３４３号公報
電力と情報の同時伝送を実現するにあたって、電力供給に必要な無線電力は、通信に必要な電力に比べて非常に大きくなる。このため、従来技術のように、広い帯域を電力供給に使う場合、周波数が隣接する他のシステムへの影響が懸念される。これを回避するために、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）のデジタル変調方式を用いて情報を通信し、ＯＦＤＭ信号において使われていないヌルサブキャリアに電力伝送用信号を挿入することが考えられる。しかし、この場合においては、受電側装置で、電力用信号と情報用信号を分離するなど、特殊な構成が必要になり、消費電力やコストの面で不利になる可能性がある。そこで、広帯域に渡って電力供給用信号を送信したり、受電側装置に特殊な構成を用いたりすることなく、情報と電力の同時無線伝送する技術に改善する余地があった。
態様の１つに係る電子機器は、複数のアンテナと、空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する制御部と、前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信可能な送信部と、を備える。
態様の１つに係る電力伝送システムは、電子機器と、前記電子機器から受信した電波によって給電される受電ユニットと、を備え、前記電子機器は、複数のアンテナと、空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する制御部と、前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信可能な送信部と、を備え、前記受電ユニットは、前記電子機器からの前記電力伝送用信号を受信する前記第１アンテナと、前記第１アンテナと所定距離離れ、前記電力伝送用信号とは異なる周波数帯域を占める前記情報通信用信号を受信する前記第２アンテナと、を備える。
態様の１つに係る制御方法は、複数のアンテナを備える電子機器が、空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御すること、前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信部に送信させること、を含む。
態様の１つに係る制御プログラムは、複数のアンテナを備える電子機器に、空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御すること、前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信部に送信させること、を実行させる。
図１は、実施形態に係る電力と情報の同時伝送を実現するワイヤレス電力伝送システムの概要を説明するための図である。 図２は、実施形態に係る送電装置の構成の一例を示す図である。 図３は、実施形態に係る送電装置の機能ブロックを説明するための図である。 図４は、実施形態に係るシステムのシーケンスの一例を示す図である。 図５は、実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの他の構成例を説明するための図である。 図６は、実施形態に係る送電装置及びＯＦＤＭ信号送信機の機能ブロックを説明するための図である。
本出願に係る電子機器、電力伝送システム、制御方法及び制御プログラム等を実施するための複数の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。以下の説明において、同様の構成要素について同一の符号を付すことがある。さらに、重複する説明は省略することがある。
図１は、実施形態に係る電力と情報の同時伝送を実現するワイヤレス電力伝送システムの概要を説明するための図である。図１に示すシステム１は、例えば、マイクロ波伝送型（空間伝送型）のワイヤレス電力伝送が可能なワイヤレス電力伝送システムを含む。ワイヤレス電力伝送は、例えば、ケーブルやプラグを用いることなく、電力を伝送することが可能な仕組みである。マイクロ波伝送型のシステム１は、エネルギー伝送として電波（マイクロ波）を使用するため、周波数を狭帯域かつ無変調波を使用する。システム１は、例えば、複数の周波数帯で電力を伝送することもできる。複数の周波数帯は、例えば、日本では、９２０ＭＨｚ、２．４ＧＨｚ、５．７ＧＨｚ等を含む。本実施形態では、システム１は、状況に適した給電効率の向上及び安全性の確保を両立することを可能とする。システム１は、例えば、宇宙太陽光発電等に適用することができる。
図１に示す一例では、システム１は、送電装置１０と、受電ユニット２０と、を備える。送電装置１０及び受電ユニット２０は、例えば、空間多重技術により、通信用信号２１０及び電力用信号２２０の通信を行う。空間多重技術は、例えば、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）を含む。ＳＤＭＡは、同一の通信路を複数の通信主体で混信することなく共用するための多元接続（多重アクセス）技術である。ＳＤＭＡは、空間的に伝送路を分割して複数の主体で同時に通信する方式である。システム１は、空間多重化により、送電装置１０が受電ユニット２０への通信用信号２１０及び電力用信号２２０の同時送信を行う。システム１は、電力用信号２２０を含むビーム２００Ａを、電力伝送対象の受電装置２２に接続されたアンテナ２１Ａに向け、電力用信号２２０を含まないビーム２００Ｂを、送受信機２５に接続されたアンテナ２１Ｂに向ける。図１において、送電装置１０は、電子機器の一例である。通信用信号２１０及び電力用信号２２０は、情報通信用信号及び電力伝送用信号の一例である。
送電装置１０は、複数のアンテナ１１を備える。送電装置１０は、例えば、多入力多出力（ＭＩＭＯ：Multiple-Input Multiple-Output）のアンテナ技術を用いることができる。ＭＩＭＯでは、通信回路の各端部のアンテナ素子が組み合わされて、エラーを最小限に抑え、データ速度を最適にする。送電装置１０は、システム１において、ワイヤレスにより電力を送電する装置である。送電装置１０は、給電電波を受電ユニット２０に送電可能な装置である。送電装置１０は、電力用信号２２０と通信用信号２１０を隣接する異なる周波数として電波を放射する。
受電ユニット２０は、システム１において、送電装置１０から給電電波を受信して電力を得る被給電装置である。受電ユニット２０は、例えば、ＩｏＴ（Internet of Things）センサ、スマートフォン、タブレット端末、ノート型パーソナル・コンピュータ、ドローン、電気自動車、電動自転車、ゲーム機等の各種装置を含む。本実施形態では、受電ユニット２０は、ＩｏＴセンサである場合について説明する。
受電ユニット２０は、例えば、アンテナ２１Ａ，２１Ｂと、受電装置２２と、バッテリ２３と、センサ部２４と、送受信機２５と、を備える。受電ユニット２０は、アンテナ２１Ａとアンテナ２１Ｂとの間が所定距離だけ離れた状態で、別体のアンテナとして装備されている。所定距離は、例えば、アンテナ２１Ａ，２１Ｂが受信対象ではない信号の影響を受けない距離、送電装置１０の指向性制御の範囲に応じた距離等を含む。
アンテナ２１Ａは、受電装置２２と電気的に接続されている。アンテナ２１Ａは、例えば、受電用のアンテナである。アンテナ２１Ａは、例えば、規定信号を含む電波を放射し、送電装置１０からの給電用信号を含む電波を受信する。アンテナ２１Ａは、受信した電波を受電装置２２に供給する。
アンテナ２１Ｂは、送受信機２５と電気的に接続されている。アンテナ２１Ｂは、例えば、情報通信用アンテナである。アンテナ２１Ｂは、例えば、送受信機２５の制御に応じて、センサ部２４で検出した情報を含むセンサデータを送信する。アンテナ２１Ｂは、送電装置１０から受信した信号を送受信機２５に供給する。
受電装置２２は、送電装置１０との間で定められた規定信号を送信する。規定信号は、例えば、ビーコン、パイロット信号等を含む。受電装置２２は、例えば、予め設定された送信周期で規定信号を送信できる。受電装置２２は、規定信号を含む電波を放射することで、規定信号を送信できる。受電装置２２は、例えば、所定のタイミングで規定信号を送電装置１０に送信できる。所定のタイミングは、例えば、一定時間が経過したタイミング、指定されたタイミング等を含む。
受電装置２２は、バッテリ２３と電気的に接続されている。受電装置２２は、例えば、無線受電装置を有する。受電装置２２は、アンテナ２１Ａで受信した電波を直流電流に変換し、この直流電流を利用してバッテリ２３を充電する制御を行う。受電装置２２は、例えば、公知である整流回路を用いて、電波を直流電流に変換する。
バッテリ２３は、充電可能な電池を含む。バッテリ２３は、例えば、Ｑｉ（ワイヤレス給電の国際標準規格）に対応したバッテリを含む。バッテリ２３は、蓄電された電力を受電装置２２において電力を必要とする各部等に供給できる。バッテリ２３は、センサ部２４及び送受信機２５と電気的に接続されており、センサ部２４及び送受信機２５等に電力を供給する。
センサ部２４は、複数のセンサを含む。例えば、複数のセンサは、加速度センサ、方位センサ、ジャイロセンサ等のセンサを含む。センサ部２４は、測定対象の状態、変化等を検出できる。センサ部２４は、送受信機２５と電気的に接続されている。センサ部２４は、検出結果を示す情報を送受信機２５に供給する。
送受信機２５は、ＯＦＤＭデジタル変調方式を用いて、ＯＦＤＭ信号を送受信する。送受信機２５は、周波数帯域内に複数の異なる周波数の搬送波（サブキャリア）を形成し、それらを同時に送受信することで多重化を行う。
送受信機２５は、例えば、無線通信装置と制御装置とを有する。送受信機２５は、センサ部２４が検出した検出結果を示すＯＦＤＭ信号を含む電波を、アンテナ２１Ｂを介して放射する。送受信機２５は、アンテナ２１Ｂを介して受信した信号に基づいて、データ処理、センシングデータ取得、データ管理等の制御を実行する。
以上、本実施形態に係る受電ユニット２０の機能構成例について説明した。なお、図１を用いて説明した上記の構成はあくまで一例であり、本実施形態に係る受電ユニット２０の機能構成は係る例に限定されない。本実施形態に係る受電ユニット２０の機能構成は、仕様や運用に応じて柔軟に変形可能である。
本実施形態では、システム１は、送電装置１０が複数のアンテナ１１のアンテナ指向性を制御することで、情報と電力の同時無線伝送を実現する。例えば、ＯＦＤＭ信号は、中心周波数がヌルサブキャリアと呼ばれ、情報通信用信号として利用しない。システム１は、使われていないヌルサブキャリアに電力伝送用信号を挿入した方式を用いる。システム１は、受電ユニット２０の情報通信用のアンテナ２１Ｂにおいて、電力用信号２２０を逆相合成するように制御（ヌルステアリング）する。システム１は、受電ユニット２０の電力伝送用のアンテナ２１Ａにおいて、電力用信号２２０が同相合成されるようにアンテナ指向性を制御（ビームフォーミング）する。送電装置１０は、通信用信号２１０の中心周波数付近に電力用信号２２０を重畳させた信号を、受電装置２２に送信する。送電装置１０は、通信用信号２１０の中心周波数付近をヌルにした信号を、送受信機２５に送信する。これにより、システム１は、情報通信用としては広く普及した安価な無線ＬＡＮの送受信回路をそのまま使用することが可能になる。
システム１は、送電装置１０からは通信用信号２１０と電力用信号２２０を重畳した信号を送信するが、電力用信号２２０が逆相合成されるのは通信相手の情報通信用のアンテナ２１Ｂに限られる。このため、システム１は、送電装置１０からの信号を他の受信装置で受け取っても情報を復調できないため、情報の秘匿・盗聴防止の効果もある。
図２は、実施形態に係る送電装置１０の構成の一例を示す図である。図２に示すように、送電装置１０は、複数のアンテナ１１と、送信信号生成部１２と、送信部１３と、受信部１４と、記憶部１５と、制御部１６と、を備える。制御部１６は、送信信号生成部１２、送信部１３、受信部１４、記憶部１５等と電気的に接続されている。本実施形態では、送電装置１０は、複数のアンテナ１１の数が４本である場合について説明するが、複数のアンテナ１１の数はこれに限定されず、２本以上であればよい。
複数のアンテナ１１は、デジタル信号処理により指向性制御（ビームフォーミング）が可能な構成になっている。複数のアンテナ１１は、アンテナアレイとなっている。複数のアンテナ１１は、例えば、それぞれが同じ電波を放射し、それぞれの位相と電力強度を調整することで、特定の方向では電波を強め、別の方向では打ち消し合って弱めることが可能な構成になっている。複数のアンテナ１１は、送信信号２００を含む電波を放射し、受電装置２２からの信号を含む電波を受信する。複数のアンテナ１１は、受信した信号を受信部１４に供給する。複数のアンテナ１１は、電波の放射が最大となるビームの方向がメインローブである。
送信信号生成部１２は、受電装置２２に送電する電流を電波に変換した電力用信号２２０を生成する。送信信号生成部１２は、電力源から電流を伝送周波数の電波に変換して送信信号２００を生成する。電力源は、例えば、商用電源、直流電源、バッテリ等を含む。送信信号生成部１２は、送受信機２５に送信する通信用信号２１０を生成する。送信信号生成部１２は、生成した送信信号となる通信用信号２１０、電力用信号２２０を送信部１３に供給する。
送信部１３は、複数のアンテナ１１と電気的に接続されている。送信部１３は、通信用信号２１０、給電用信号２２０等を含む電波を複数のアンテナ１１から放射する。送信部１３は、複数のアンテナ１１で形成可能なビーム２００Ａ，２００Ｂに対応したウェイトを適用することで、電波を複数のアンテナ１１から特定の方向に放射させる。送信部１３は、制御部１６が指示したウェイトを複数のアンテナ１１に適用する。
受信部１４は、複数のアンテナ１１と電気的に接続されている。受信部１４は、アンテナ１１を介して受信した受電装置２２からの電波から受信信号を抽出する。受信信号は、例えば、アンテナ２１Ａを介して受電装置２２から送信された上述の規定信号、アンテナ２１Ｂを介して送受信機２５から送信された通信用信号等を含む。受信部１４は、抽出した受信信号等を制御部１６等に供給する。
記憶部１５は、プログラム及びデータを記憶できる。記憶部１５は、半導体記憶媒体、及び磁気記憶媒体等の任意の非一過的な記憶媒体を含んでよい。記憶部１５は、メモリカード、光ディスク、又は光磁気ディスク等の記憶媒体と、記憶媒体の読み取り装置との組み合わせを含んでよい。記憶部１５は、ＲＡＭなどの一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでよい。
記憶部１５は、制御プログラム１５Ａ、ベクトルデータ１５Ｂ等を記憶できる。制御プログラム１５Ａは、送電装置１０の各種動作に関する処理を実現するための機能をそれぞれ提供できる。制御プログラム１５Ａは、ワイヤレス電力伝送、通信制御等に関する各機能を提供できる。ベクトルデータ１５Ｂは、例えば、受信応答ベクトル等を示すデータを含む。受信応答ベクトルは、受信信号から推定した送受信アンテナ間のチャネル特性を示す。受信応答ベクトルは、例えば、アンテナ本数分のチャネル特性を示す。受信応答ベクトルは、例えば、複数のアンテナ１１ごとの振幅、位相等を合成したベクトルを含む。受信応答ベクトルは、例えば、電力用と情報通信用とに対応した受信応答ベクトルを含む。ベクトルデータ１５Ｂは、例えば、受信信号に基づいて推定した受電装置２２及び送受信機２５の受信応答ベクトルを示す情報を含む。
制御部１６は、１又は複数の演算装置を含む。演算装置は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、およびコプロセッサを含むが、これらに限定されない。制御部１６は、制御プログラム１５Ａを演算装置に実行させることにより、送電装置１０の各種動作に関する処理を実現する。制御部１６は、制御プログラム１５Ａにより提供される機能の少なくとも１部を専用のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により実現してもよい。
制御部１６は、制御プログラム１５Ａを実行することで、アンテナ指向性制御を行う。制御部１６は、例えば、空間多重接続する受電装置２２及び送受信機２５に、複数のアンテナ１１から送信される電力用信号２２０について、受電装置２２のアンテナ２１Ａ（第１アンテナ）にはビーム２００Ａを向け、送受信機２５のアンテナ２１Ｂ（第２アンテナ）にはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する。制御部１６は、電力用信号２２０と隣接する異なる周波数で送信される通信用信号２１０について、受電装置２２のアンテナ２１Ａと送受信機２５のアンテナ２１Ｂの両方またはどちらか一方にビームを向けるよう送信ウェイトを制御する。
制御部１６は、例えば、第１推定部１６Ａ、第２推定部１６Ｂ、生成部１６Ｃ等の機能部を有する。制御部１６は、制御プログラム１５Ａを実行することで、第１推定部１６Ａ、第２推定部１６Ｂ、生成部１６Ｃ等の各機能部を実現する。
第１推定部１６Ａは、送受信機２５から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから周波数成分のチャネル特性を推定する。第１推定部１６Ａは、例えば、特開２００２－４３９９５号公報に開示されているように周知のアルゴリズムを用いて受信応答ベクトルを推定する。第１推定部１６Ａは、アンテナ１１の本数分のチャネル特性を情報通信用の受信応答ベクトルとしてベクトルデータ１５Ｂに反映する。
第２推定部１６Ｂは、受電装置２２から送信される規定信号を受信し、周波数成分のチャネル特性を推定する。第２推定部１６Ｂは、規定信号の中心周波数のチャネル特定を推定する。規定信号は、無変調波でもよいし、ＯＦＤＭ信号などの変調波でもよい。ＯＦＤＭ信号などの変調波の場合、第２推定部１６Ｂは、例えば、補間などにより中心周波数のチャネル特性を推定する。第２推定部１６Ｂは、例えば、上述した周知のアルゴリズムを用いて受信応答ベクトルを推定する。第２推定部１６Ｂは、アンテナ１１の本数分のチャネル特性を電力伝送用の受信応答ベクトルとしてベクトルデータ１５Ｂに保存する。
生成部１６Ｃは、第１推定部１６Ａ及び第２推定部１６Ｂの推定結果に基づく電力伝送用の受信応答ベクトルと通信用受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを生成する。ウェイトの生成方法は、例えば、ＭＩＭＯで用いられるＺＦ(Zero-Forcing)アルゴリズム、ＭＭＳＥ(Minimum Mean Square Error)アルゴリズム等を用いることができる。生成部１６Ｃは、電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを電力用信号２２０及び通信用信号２１０に適用する。これにより、送信部１３は、電力用信号２２０に電力伝送用ウェイトを乗算し、通信用信号２１０に信号用ウェイトを乗算し、これらを足し合わせて送信する。
生成部１６Ｃによる送信ウェイトの生成の一例を説明する。生成部１６Ｃは、受電装置２２からの規定信号の受信応答ベクトルを式（１）に示すベクトルｈ１とする。
Figure 0007239642000001
生成部１６Ｃは、送受信機２５からの信号の受信応答ベクトルを式（２）に示すベクトルｈ２とする。
Figure 0007239642000002
生成部１６Ｃは、ベクトルｈ１及びベクトルｈ２の伝搬チャネル行列Ｈを式（３）に示すように定義する。式（３）におけるＫは、アンテナ素子の数である。
Figure 0007239642000003
生成部１６Ｃは、電力伝送用の送信ウェイトを式（４）とし、情報通信用の送信ウェイトを式（５）として、それぞれの送信ウェイトを生成する。
α１＊（Ｈ＊ＨＨ＋σ２＊Ｉ）-1＊ｚ１ ・・・（４）
α２＊ｚ２ ・・・（５）
ここで、α１，α２は、送信電力調整量である。ＨＨは、伝搬チャネル行列Ｈの複素共役転置行列である。ｚ１，ｚ２は、ｈ１，ｈ２の複素共役ベクトルである。σ２は、雑音電力である。Ｉは、単位行列である。
以上、本実施形態に係る送電装置１０の機能構成例について説明した。なお、図２を用いて説明した上記の構成はあくまで一例であり、本実施形態に係る送電装置１０の機能構成は係る例に限定されない。本実施形態に係る送電装置１０の機能構成は、仕様や運用に応じて柔軟に変形可能である。
図３は、実施形態に係る送電装置１０の機能ブロックを説明するための図である。図３に示す一例では、送電装置１０は、４本のアンテナ１１の空間多重通信において、受電装置２２及び送受信機２５が接続する２多重に対応している。
図３に示すように、送電装置１０は、複数のアンテナ１１で受信した信号が受信回路１４０を介して受信処理部１０Ａに供給され、アダプティブアレイ処理により、受電装置２２からの受信信号及び送受信機２５からの受信信号をそれぞれ抽出する。送電装置１０は、受電装置２２及び送受信機２５に対する送信信号を送信処理部１０Ｂに供給し、送信指向性が制御された後、合成されて複数のアンテナ１１によって送信される。送電装置１０は、複数のアンテナ１１と、送信回路１３０及び受信回路１４０との間の接続が、スイッチＳＷにより、選択的に切り替え可能に構成されている。
送電装置１０は、複数のアンテナ１１で受信した信号がスイッチＳＷ及び受信回路１４０を介して受信処理部１０Ａに供給される。送電装置１０は、受電装置２２と送受信機２５の両方またはどちらか一方からの受信信号を、複数の乗算器に供給するとともに、受信ウェイト生成部１６Ｄ及び推定部１６０に供給する。推定部１６０は、上述した第１推定部１６Ａ及び第２推定部１６Ｂを含む。
送電装置１０は、受信ウェイト生成部１６Ｄがそれぞれのアンテナ１１での受信信号に対するウェイトを出力し、複数の乗算器に供給する。推定部１６０で使用される受信応答ベクトル推定アルゴリズムは、周知であるＭＩＭＯで用いられるアルゴリズム等を用いることができる。
送電装置１０は、複数のアンテナ１１で受信した信号と、対応するウェイトとを複数の乗算器のそれぞれで乗算し、その結果を加算器で加算する。送電装置１０は、加算器からのアレイ出力を受信信号として受信処理部から出力するとともに、受信ウェイト生成部１６Ｄに供給する。送電装置１０は、既知の参照信号を受信ウェイト生成部１６Ｄ及び推定部１６０に供給する。送電装置１０は、加算器からのアレイ出力と既知の参照信号との誤差の２乗を減少させるように受信ウェイトベクトルをリアルタイムで収束させる。これにより、送電装置１０は、特定の受電装置２２及び送受信機２５からの受信指向性を収束させ、受電装置２２及び送受信機２５からの受信信号を抽出することができる。
送電装置１０は、推定部１６０が複数のアンテナ１１で受信した受信信号と、既知の参照信号とに応じて、受電装置２２及び送受信機２５の受信応答ベクトルをそれぞれ算出し、送信処理部１０Ｂの生成部１６Ｃに供給する。送電装置１０は、電力伝送用の受信応答ベクトルと通信用受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを生成する。送電装置１０は、複数のアンテナ１１ごとに、電力用信号２２０に電力伝送用ウェイトを乗算し、通信用信号２１０に信号用ウェイトを乗算し、これらを足し合わせた送信信号を、送信回路１３０を介して複数のアンテナ１１から送信する。
送電装置１０は、受電装置２２及び送受信機２５に対応するアンテナ組み合わせの成分からなる受信応答ベクトルを生成部１６Ｃに供給し、受信応答ベクトルに基づいて送信ウェイトベクトルを生成する。送電装置１０は、複数の乗算器によって電力用信号２２０及び通信用信号２１０に送信ウェイトベクトルを構成する送信ウェイトを乗算し、これらを加算器で足し合わせた送信信号を、送信回路１３０を介して複数のアンテナ１１から送信する。
図４は、実施形態に係るシステム１のシーケンスの一例を示す図である。図４に示す一例では、システム１は、送電装置１０と受電ユニット２０とが電波伝搬環境に設けられている。
受電ユニット２０の送受信機２５は、ＯＦＤＭ信号を送電装置に送信する（ステップＳ１１）。例えば、送受信機２５は、センサ部２４が検出した検出結果を示す情報通信用のＯＦＤＭ信号を含む電波をアンテナ２１Ｂから放射することで、ＯＦＤＭ信号を送電装置１０に送信する。
送電装置１０は、複数のアンテナ１１を介してＯＦＤＭ信号を受信すると、情報通信用の受信応答ベクトルを推定する（ステップＳ１２）。ＯＦＤＭ信号の中心周波数は、ヌルサブキャリアであるため、送電装置１０が推定したチャネル特性には当該チャネル特性は含まれていない。そこで、送電装置１０は、隣接する他のサブキャリアから内挿補間などにより中心周波数のチャネル特性を推定する。送電装置１０は、アンテナ１１の本数分のチャネル特性を情報通信用の受信応答ベクトルとして記憶部１５のベクトルデータ１５Ｂに反映する。
受電ユニット２０の受電装置２２は、規定信号を送電装置１０に送信する（ステップＳ１３）。例えば、受電装置２２は、送信周期に応じて規定信号を含む電波をアンテナ２１Ａから放出することで、規定信号を送電装置１０に送信する。
送電装置１０は、複数のアンテナ１１を介して規定信号を受信すると、電力伝送用の受信応答ベクトルを推定する（ステップＳ１４）。送電装置１０は、規定信号が無変調波の場合は規定信号から、規定信号がＯＦＤＭ信号の場合は規定信号の隣接する他のサブキャリアから内挿補間などにより、中心周波数のチャネル特性を推定する。送電装置１０は、アンテナ１１の本数分のチャネル特性を電力伝送用の受信応答ベクトルとしてベクトルデータ１５Ｂに反映する。
送電装置１０は、電力伝送用信号のビームを受電装置２２に向かわせ、送受信機２５にヌルを向かわせるように送信ウェイトを生成する（ステップＳ１５）。送電装置１０は、ベクトルデータ１５Ｂの電力伝送用の受信応答ベクトルと通信用受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを生成する。無線通信における空間多重技術の送信ウェイト生成は、複数のユーザからの信号を同時に受信することを前提に、受信時のウェイトをそのままコピーして使用することがある。しかし、実施形態に係るシステム１では、電力伝送用の規定信号と送受信機２５からの無線信号が同タイミングで送信される保証はない。このため、送電装置１０は、受信応答ベクトルを用いて電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを生成する。
送電装置１０は、生成した送信ウェイトに基づいて、電力用信号２２０及び通信用信号２１０を送信する（ステップＳ１６）。送電装置１０は、電力用信号２２０に電力伝送用ウェイトを乗算し、通信用信号２１０に信号用ウェイトを乗算し、これらを足し合わせて送信する。これにより、送電装置１０は、通信用信号２１０及び電力用信号２２０を含む電波を複数のアンテナ１１から受電装置２２に向けて放射するとともに、複数のアンテナ１１から送受信機２５に接続されたアンテナ２１Ｂに向けては、電力用信号２２０は逆相合成されるよう指向性を制御する。
受電装置２２は、受信した電力用信号２２０に基づいてバッテリ２３を充電する（ステップＳ１７）。例えば、受電装置２２は、アンテナ２１Ａで受信した電波を直流電流に変換し、この直流電流を利用してバッテリ２３を充電する。
送受信機２５は、受信した通信用信号２１０に基づく処理を実行する（ステップＳ１８）。例えば、送受信機２５は、通信制御、センサ部２４のセンシング、データ管理等の処理を実行する。
システム１は、送電装置１０が通信用信号２１０の電波に対し受電装置２２に接続されたアンテナ２１Ａにヌルを向ける必要がなく、通信用信号２１０が電力用信号２２０に比べて受信レベルが低くても通信可能であるため、通信用信号２１０の電波は必ずしも送受信機２５にビームを向ける必要がない。このため、システム１の送電装置１０は、電力伝送用の送信ウェイトを優先し、電力伝送への影響が少なくなるように情報通信用の送信ウェイトを生成してもよい。
電力伝送用の送信ウェイトは、ヌルを向ける指向性制御のためにアンテナ１１ごとに、ウェイトの振幅が異なるのが一般的であり、ウェイトの振幅の小さいアンテナ１１のみに情報通信用を重畳させる。これにより、送電装置１０は、電力伝送用信号と情報通信用信号を重畳した場合においても、送信アンプの性能に起因する瞬時最大出力の制限の影響を受けずに電力と情報の同時送信が可能になる。
送電装置１０は、空間多重接続する受電装置２２及び送受信機２５に、複数のアンテナ１１から送信される電力用信号２２０について、受電装置２２のアンテナ２１Ａにはビームを向け、送受信機２５のアンテナ２１Ｂにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御することができる。これにより、送電装置１０は、受電装置２２への電力供給と、送受信機２５との通信を同時に実現することができる。その結果、送電装置１０は、電力用信号２２０と通信用信号２１０とを分ける特殊な構成を受電装置２２に用いることなく、情報と電力の同時無線伝送を実現することができる。
送電装置１０は、空間多重接続する受電装置２２及び送受信機２５に、複数のアンテナ１１から送信される電力用信号２２０について、送受信機２５のアンテナ２１Ｂにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御することができる。これにより、システム１は、送受信機２５として安価な無線ＬＡＮ（Local Area Network）等を用いることができるので、受電側の構成を簡単化することができる。
送電装置１０は、送受信機２５から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから該周波数成分のチャネル特性を推定する。送電装置１０は、受電装置２２から送信される規定信号を受信し、該周波数成分のチャネル特性を推定する。送電装置１０は、それらの推定結果に基づく電力伝送用の受信応答ベクトルと通信用の受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを生成する。これにより、送電装置１０は、受電装置２２及び送受信機２５からの電波のチャネル特性に応じた送信ウェイトを生成するので、電力用信号２２０について送受信機２５のアンテナ２１Ｂにはヌルを精度よく向けることができる。
送電装置１０は、電力伝送用の送信ウェイトの振幅が所定のレベル以下のアンテナ１１に情報通信用の送信ウェイトを重畳させることができる。電力用信号２２０と通信用信号２１０を重畳させ送信する場合、電力用信号２２０の送信ウェイトの振幅と、通信用信号２１０の送信ウェイトの振幅とさらに、通信用信号２１０は変調波であるために通信用信号２１０の瞬時電力を考慮する必要がある。所定のレベルは、例えば、通信用信号２１０の送信ウェイト及び通信用信号２１０の瞬時最大電力を考慮しても送信アンプの特性上性能劣化を生じないかを判定するための閾値（レベル）を含む。送電装置１０は、通信用信号２１０と電力用信号２２０を重畳しても、送信アンプの性能に起因する瞬時最大出力の制限の影響を受けずに電力と情報の同時送信を可能にすることができる。
上述したシステム１では、送電装置１０は、ＯＦＤＭ信号を受信する際の受信ウェイトやＯＦＤＭ信号を送信する際の送信ウェイトは、全サブキャリア共通となっているが、サブキャリアごと異なるウェイトを用いてもよい。
上述したシステム１では、送電装置１０と受電ユニット２０が一対一である場合について説明したが、これに限定されない。例えば、システム１は、送電装置１０と受電ユニット２０が一対複数であってもよい。
上述したシステム１では、送電装置１０が情報通信用のＯＦＤＭ信号の受信と電力伝送用と同一のアンテナ１１を用いる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、システム１は、送電側において、情報通信用のＯＦＤＭ信号の送信を別アンテナとしてもよい。
図５は、実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの他の構成例を説明するための図である。図６は、実施形態に係る送電装置１０及びＯＦＤＭ信号送信機３０の機能ブロックを説明するための図である。
図５に示すシステム１Ａは、送電装置１０と、受電ユニット２０と、ＯＦＤＭ信号送信機３０と、を有する。送電装置１０とＯＦＤＭ信号送信機３０とは、電気的に接続されている。システム１Ａは、送電装置１０が受電ユニット２０へ電力用信号２２０をアンテナ１１から放射するが、このとき送電装置１０は、ビーム２００Ａを、電力伝送対象の受電装置２２に接続されたアンテナ２１Ａに向けると同時に、送受信機２５に接続されたアンテナ２１Ｂにはヌルを向ける。ＯＦＤＭ信号送信機３０は、通信用信号２１０をアンテナ３１から放射し、受電ユニット２０の送受信機２５へ通信用信号２１０を送る。これにより、送電装置１０は、電力用信号２２０と通信用信号２１０を使って受電ユニット２０との間で、電力と情報の同時伝送を実現する。
図６に示すように、送電装置１０は、第１推定部１６Ａ及び第２推定部１６Ｂを含む推定部１６０が複数のアンテナ１１で受信した受信信号と、既知の参照信号とに応じて、受電装置２２及び送受信機２５の受信応答ベクトルをそれぞれ算出し、送信処理部１０Ｂの生成部１６Ｃに供給する。送電装置１０は、電力伝送用の受信応答ベクトルと通信用受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトを生成する。送電装置１０は、複数のアンテナ１１ごとに、電力用信号２２０に電力伝送用ウェイトを乗算した送信信号を、送信回路１３０を介して複数のアンテナ１１から送信する。送電装置１０は、通信用信号２１０の送信をＯＦＤＭ信号送信機３０に接続されたアンテナ３１を介して送信する。
ＯＦＤＭ信号送信機３０は、アンテナ３１と電気的に接続され、ＯＦＤＭ送信部３２を備える。ＯＦＤＭ送信部３２は、送電装置１０からの通信用信号２１０を含む電波をアンテナ３１から放出する。ＯＦＤＭ信号送信機３０は、送電装置１０の信号送信と自機の信号を同期させてもよいし、同期させなくてもよい。
以上により、システム１Ａは、送電装置１０において通信用信号２１０の送信ウェイトを考慮する必要がないため、これによる送信アンプの性能に起因する瞬時最大出力の制限の影響を受けずに電力と情報の同時送信を可能にすることができる。
無線通信での空間多重技術においては、電力用信号２２０を電力伝送用のアンテナ２１Ａのみに、通信用信号２１０を情報通信用のアンテナ２１Ｂのみに届くように、指向性を制御するが、上述した本実施形態、システム１及びシステム１Ａでは、これに限定されない。送電装置１０は、電力用信号２２０が送受信機２５に漏れ込まないように制御するが、通信用信号２１０が受電装置２２に漏れ込ませてもよい。すなわち、本実施形態における空間多重技術は、無線通信での空間多重技術とは異なる技術である。
上述した実施形態では、システム１およびシステム１Ａは、送電装置１０が電子機器である場合について説明したが、これに限定されない。電子機器は、例えば、給電用電波を放射可能な給電装置を制御する制御装置、給電装置に内蔵されたコンピュータ等で実現してもよい。また、システム１およびシステム１Ａは、ワイヤレス電力伝送システムである場合について説明したが、これに限定されない。例えば、システム１およびシステム１Ａは、電波伝搬環境で無線通信を行うシステム等に適用することができる。
添付の請求項に係る技術を完全かつ明瞭に開示するために特徴的な実施形態に関し記載してきた。しかし、添付の請求項は、上記実施形態に限定されるべきものでなく、本明細書に示した基礎的事項の範囲内で当該技術分野の当業者が創作しうるすべての変形例及び代替可能な構成を具現化するように構成されるべきである。本開示の内容は、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことができる。したがって、これらの変形および修正は本開示の範囲に含まれる。例えば、各実施形態において、各機能部、各手段、各ステップなどは論理的に矛盾しないように他の実施形態に追加し、若しくは、他の実施形態の各機能部、各手段、各ステップなどと置き換えることが可能である。また、各実施形態において、複数の各機能部、各手段、各ステップなどを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、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。
[付記１]
複数のアンテナと、
電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する制御部と、
前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用送信信号を送信可能な送信部と、
を備える電子機器において、
前記制御部は、
前記情報信号送受信機から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから前記周波数成分のチャネル特性を推定する第１推定部と、
前記電力伝送用受電装置から送信される規定信号を受信し、前記周波数成分のチャネル特性を推定する第２推定部と、
前記第１推定部及び前記第２推定部の推定結果に基づく電力伝送用受信応答ベクトルと通信受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトを生成する生成部と、
を備える、電子機器。
[付記２]
電子機器と、
前記電子機器から受信した電波によって給電される受電ユニットと、
を備え、
前記電子機器は、
複数のアンテナと、
電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する制御部と、
前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用送信信号を送信可能な送信部と、
を備える電子機器において、
前記制御部は、
前記情報信号送受信機から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから前記周波数成分のチャネル特性を推定する第１推定部と、
前記電力伝送用受電装置から送信される規定信号を受信し、前記周波数成分のチャネル特性を推定する第２推定部と、
前記第１推定部及び前記第２推定部の推定結果に基づく電力伝送用受信応答ベクトルと通信受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトを生成する生成部と、
を備え、
前記受電ユニットは、
前記電子機器からの前記電力伝送用信号を受信する前記第１アンテナと、
前記第１アンテナと所定距離離れ、前記電力伝送用信号とは異なる周波数帯域を占める前記情報通信用信号を受信する前記第２アンテナと、
を備える電力伝送システム。
[付記３]
複数のアンテナを備える電子機器が、
電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御すること、
前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用送信信号を送信部に送信させること、
前記情報信号送受信機から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから前記周波数成分のチャネル特性を推定すること、
前記電力伝送用受電装置から送信される規定信号を受信し、前記周波数成分のチャネル特性を推定すること、
前記推定結果に基づく電力伝送用受信応答ベクトルと通信受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトを生成すること、
を含む制御方法。
[付記４]
複数のアンテナを備える電子機器が、
電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御すること、
前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用送信信号を送信部に送信させること、
前記情報信号送受信機から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから前記周波数成分のチャネル特性を推定すること、
前記電力伝送用受電装置から送信される規定信号を受信し、前記周波数成分のチャネル特性を推定すること、
前記推定結果に基づく電力伝送用受信応答ベクトルと通信受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトを生成すること、
を実行させる制御プログラム。
１ システム
１０ 送電装置
１１ アンテナ
１２ 送信信号生成部
１３ 送信部
１４ 受信部
１５ 記憶部
１５Ａ 制御プログラム
１５Ｂ ベクトルデータ
１６ 制御部
１６Ａ 第１推定部
１６Ｂ 第２推定部
１６Ｃ 生成部
２０ 受電ユニット
２１Ａ，２１Ｂ アンテナ
２２ 受電装置
２３ バッテリ
２４ センサ部
２５ 送受信機
２００Ａ，２００Ｂ ビーム
２１０ 通信用信号
２２０ 電力用信号

Claims (7)

  1. 複数のアンテナと、
    空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する制御部と、
    前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信可能な送信部と、
    を備え、
    前記制御部は、電力伝送用信号と隣接する異なる周波数の情報通信用信号について、前記電力伝送用受電装置の前記第１アンテナ及び前記情報信号送受信機の前記第２アンテナにビームを向けるよう前記送信ウェイトを制御する電子機器。
  2. 請求項１に記載の電子機器において、
    前記制御部は、
    前記情報信号送受信機から送信される周波数分割多重信号を受信し、帯域で使用していない周波数成分に隣接するサブキャリアから前記周波数成分のチャネル特性を推定する第１推定部と、
    前記電力伝送用受電装置から送信される規定信号を受信し、前記周波数成分のチャネル特性を推定する第２推定部と、
    前記第１推定部及び前記第２推定部の推定結果に基づく電力伝送用受信応答ベクトルと通信受信応答ベクトルから電力伝送用ウェイトと情報通信用ウェイトを生成する生成部と、
    を備える、電子機器。
  3. 請求項２に記載の電子機器において、
    前記送信部は、前記電力伝送用信号に電力伝送用ウェイトを乗算し、前記情報通信用信号に信号用ウェイト乗算し、これらを足し合わせて前記送信信号を送信する、電子機器。
  4. 請求項３に記載の電子機器において、
    前記制御部は、電力伝送用ウェイトの振幅が所定のレベル以下のアンテナに情報通信用ウェイトを重畳させる、電子機器。
  5. 電子機器と、
    前記電子機器から受信した電波によって給電される受電ユニットと、
    を備え、
    前記電子機器は、
    複数のアンテナと、
    空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御する制御部と、
    前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信可能な送信部と、
    を備え、
    前記受電ユニットは、
    前記電子機器からの前記電力伝送用信号を受信する前記第１アンテナと、
    前記第１アンテナと所定距離離れ、前記電力伝送用信号とは異なる周波数帯域を占める前記情報通信用信号を受信する前記第２アンテナと、
    を備える電力伝送システム。
  6. 複数のアンテナを備える電子機器が、
    空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御すること、
    前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信部に送信させること、
    前記電力伝送用信号と隣接する異なる周波数の情報通信用信号について、前記電力伝送用受電装置の前記第１アンテナ及び前記情報信号送受信機の前記第２アンテナにビームを向けるよう前記送信ウェイトを制御すること、
    を含む制御方法。
  7. 複数のアンテナを備える電子機器に、
    空間多重接続する電力伝送用受電装置及び情報信号送受信機に、複数の前記アンテナから送信される電力伝送用信号について、前記電力伝送用受電装置の第１アンテナにはビームを向け、前記情報信号送受信機の第２アンテナにはヌルを向けるよう送信ウェイトを制御すること、
    前記送信ウェイトを用いて、前記電力伝送用信号と情報通信用信号と重畳した送信信号を送信部に送信させること、
    前記電力伝送用信号と隣接する異なる周波数の情報通信用信号について、前記電力伝送用受電装置の前記第１アンテナ及び前記情報信号送受信機の前記第２アンテナにビームを向けるよう前記送信ウェイトを制御すること、
    を実行させる制御プログラム。
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