JP5091743B2

JP5091743B2 - 無線電力配電システム

Info

Publication number: JP5091743B2
Application number: JP2008086475A
Authority: JP
Inventors: 浩昭成田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009240139A

Description

この発明は、電磁波などの波動によって無線機器へ非接触で電力を供給する無線電力配電システムに関するものである。

従来より、オフィスビル等における空調制御システムは、温度，湿度等の環境情報を検出するセンサと、ダクト等の給気の吹出口に設けられて、その給気の吹出口の開度を制御するアクチュエータ、およびセンサが検出した環境情報並びにユーザからの操作指令を受けてアクチュエータの駆動制御を行う制御装置を備えて構成される。この空調制御システムでは、そのシステムを構成する機器（センサ、アクチュエータ、制御装置）間の配線作業を不要とするために、無線化が望まれている。

この空調制御システムにおいて、センサは、小電力で動作可能であるので、内蔵電池を電源として使用することができる。しかし、駆動部を有するアクチュエータは、動作電力として７〜１５Ｗの電力を必要とし、電池では能力不足であるため、外部電源と電線で接続して電力を供給するようにしている。

これに対し、近年、無線による電力の配信技術が進歩し、アクチュエータが動作可能な電力を電磁波で空間伝送することが可能となってきた。この無線によるアクチュエータへの電力の配電方式には２通りある。

１つの方式は、例えば特許文献１，２に示されているように、電源用の電磁波を室内に存在する人から隔絶した伝送路を介して、無線機器に電力伝送する方式（以下、閉空間無線電力配電方式と呼ぶ）である。

もう１つの方式は、例えば特許文献３，４に示されているように、電源用の電磁波を人が存在する室内空間を伝送路として、無線機器に電力伝送する方式（以下、開空間無線電力配電方式と呼ぶ）である。

なお、強い電磁波に人体が曝されていると好ましくない影響を及ぼすことが懸念されており、そのために国の指針として電波防護指針が定められている。この電波防護指針では、例えば、電磁波の周波数が１．５Ｈｚ〜３００ＧＨｚである場合、常時電磁波に曝される環境下（非管理環境下）では電力密度の上限値は１ｍＷ／ｃｍ²であり、１日８時間・週５日以内の時間、電磁波に曝されている環境下（管理環境下）では電力密度の上限値は５ｍＷ／ｃｍ²と定められている。

特開２００７−２４４０１５号公報特開２００８−２２４２９号公報特開２００５−２６１１８７号公報特開平１１−３２４５１号公報

しかしながら、上述した閉空間無線電力配電方式では、電磁波が室内の人から隔絶した伝送路を通って伝送されるので人が電磁波に曝される虞れがなく、大電力の電磁波を伝送することができるという利点がある反面、専用の伝送路を設置する必要があり、大きな投資が必要となる。また、既存のオフィスビルについて、後からこのシステムを導入する場合には、大工事が必要となる。

一方、開空間無線電力配電方式では、専用の伝送路を設置する必要がないため、閉空間無線電力配電方式に比べて費用がかからず、既存のオフィスビルについて、後からこのシステムを導入する場合も容易に行うことができる。しかし、人が存在する室内空間を使って電磁波が伝送されると、前述した電波防護指針を遵守する必要があり、その結果、アクチュエータを動作させるのに必要な大電力の電磁波を事実上伝送することができず、空調制御システムの完全な無線化に利用することができない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電波防護指針を遵守しつつ、開空間無線電力配電方式で、大電力を必要とするアクチュエータなどの無線機器に電力を供給することが可能な無線電力配電システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、室内空間へ無線によってエネルギーを波動として送信する波動送信装置と、この波動送信装置から送信される波動を受信しその受信した波動から自己の電源電力を生成して動作する１台以上の無線機器とを備える無線電力配電システムにおいて、波動送信装置に、室内空間に対して予め定められている人の在／不在の可能性を示すスケジュールに基づいて室内空間に人が存在するか否かを判断する在／不在判断手段と、在／不在判断手段によって室内空間に人が存在すると判断された場合、人体に影響を与えない程度の小電力の波動として定められた第１の波動を室内空間に送信し、在／不在判断手段によって室内空間に人が存在しないと判断された場合、第１の波動よりも大電力の波動として定められた第２の波動を室内空間に送信する波動送信手段とを設けたものである。

この発明において、波動送信装置に設けられた在／不在判断手段は、室内空間に対して予め定められている人の在／不在の可能性を示すスケジュールに基づいて室内空間に人が存在するか否かを判断する。例えば、人の在／不在の可能性を示すスケジュールとして、６時〜２２時の時間帯を人が在室できる時間帯（在室可の時間帯）、それ以外の時間帯を人が在室することができない時間帯（在室不可の時間帯）として定め、現在の時刻が６時〜２２時の時間帯にあれば、室内空間に人が存在すると判断する。現在の時刻が６時〜２２時の時間帯になければ、室内空間に人が存在しないと判断する。

この発明において、波動送信装置に設けられた波動送信手段は、波動を電磁波とした場合、在／不在判断手段によって室内空間に人が存在すると判断されると、人体に影響を与えない程度の小電力の電磁波として定められた第１の電磁波を室内空間に送信し、在／不在判断手段によって室内空間に人が存在しないと判断されると、第１の電磁波よりも大電力の電磁波して定められた第２の電磁波を室内空間に送信する。すなわち、本発明において、室内空間に人が存在すると判断された場合には、小電力の電磁波（第１の電磁波）が室内空間を介して波動送信装置より無線機器に送られ、室内空間に人が存在しないと判断された場合には、大電力の電磁波（第２の電磁波）が室内空間を介して波動送信装置より無線機器に送られる。

ここで、室内空間に人が存在すると判断された場合に無線機器に送られる電磁波は、人体に影響を与えない程度の小電力の電磁波とする。すなわち、電波防護指針に従い、第１の電磁波は、その周波数が１．５Ｈｚ〜３００ＧＨｚである場合、非管理環境下では電力密度の上限値を１ｍＷ／ｃｍ²とし、管理環境下では電力密度の上限値を５ｍＷ／ｃｍ²とする。これにより、電波防護指針を遵守しつつ、開空間無線電力配電方式で、大電力を必要とするアクチュエータなどの無線機器に電力を供給することが可能となる。なお、この場合、室内空間に人が存在すると判断されると、無線機器には小電力の電磁波が送信されるようになるが、大電力の電磁波の受信時の電気エネルギーを蓄積しておけば、その蓄積された電気エネルギーによって小電力の電磁波の受信時の電源電力を確保することが可能である。

なお、本発明において、波動は電磁波に限られるものではなく、光や超音波などを波動として用いてもよい。

本発明によれば、波動送信装置において、室内空間に対して予め定められている人の在／不在の可能性を示すスケジュールに基づいて室内空間に人が存在するか否かを判断するようにし、室内空間に人が存在すると判断された場合、人体に影響を与えない程度の小電力の波動として定められた第１の波動を室内空間に送信し、室内空間に人が存在しないと判断された場合、第１の波動よりも大電力の波動として定められた第２の波動を室内空間に送信するようにしたので、室内空間に人が存在する、もしくは人が存在する可能性がある場合、小電力の波動（第１の波動）が室内空間を介して波動送信装置より無線機器に送られ、室内空間に人が存在しない、もしくは人が存在しない可能性がある場合、大電力の波動（第１の波動）が室内空間を介して波動送信装置より無線機器に送られるものとなり、電波防護指針を遵守しつつ、開空間無線電力配電方式で、大電力を必要とするアクチュエータなどの無線機器に電力を供給することが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明の一実施の形態（実施の形態１）を示す無線電力配電システムの構成図である。同図において、１は室内空間、２は室内空間１内に位置する無線電力供給装置、３は室内空間１内に位置する無線機器、４は外部電源、５は外部コントローラである。

なお、図１では分かり易いように、室内空間１内に無線電力供給装置２および無線機器３を位置させているが、室内空間１を通して相互に無線通信を行えればよく、無線電力供給装置２および無線機器３は室内空間１の外に位置していてもよい。また、この無線電力配電システムにおいて、無線電力供給装置２が本発明でいう波動送信装置に対応する。また、無線機器３は、複数設けられていてもよい。

無線電力供給装置２は、外部電源４からの電源の供給を受けて安定した電源電圧を生成する安定化電源部２Ａと、安定化電源部２Ａからの電源電圧を受けて動作するシステム制御部２Ｂおよび配電レベル制御部２Ｃと、室内空間１への電磁波の送信および室内空間１からの電磁波の受信をアンテナＡＮＴ１を介して行う送受信部２Ｄと、送受信部２Ｄを介して受信された外部からの情報をシステム制御部２Ｂへ送る受信制御部２Ｅとを備えている。

無線機器３は、駆動部を有するアクチュエータであり、モータ３Ａと、このモータ３Ａの回転を減速して駆動軸ＤＳに伝える減速部３Ｂと、モータ３Ａを駆動するドライバ部３Ｃと、減速部３Ｂを介して駆動軸ＤＳの回転角度位置を検出する位置検出部３Ｄと、位置検出部３Ｄによって検出される駆動軸ＤＳの回転角度位置のフィードバックを受けてモータ３Ａの回転をドライバ部３Ｃを介して制御する制御部３Ｅとを備えている。

また、無線機器３は、アンテナＡＴＮ２を介して受信した室内空間１における無線センサ（図示せず）からの温度，湿度等の環境情報を制御部３Ｅへ送る受信部３Ｆと、制御部３Ｅからの情報をアンテナＡＴＮ２を介して室内空間１へ送信する送信部３Ｇと、アンテナＡＴＮ２を介して受信した無線電力供給装置２からの電磁波を電流に変換して整流する整流部３Ｈと、整流部３Ｈによって整流された電流による電荷を蓄える蓄電部３Ｉと、蓄電部３Ｉに蓄積された電荷から安定した電源電圧を生成する安定化電源部３Ｊとを備えている。安定化電源部３Ｊが生成する電源電圧はモータ３Ａ，ドライバ部３Ｃ，制御部３Ｅ，受信部３Ｆ，送信部３Ｇに供給される。

無線電力供給装置２において、システム制御部２Ｂや配電レベル制御部２Ｃは、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御部としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。

システム制御部２Ｂは、本実施の形態特有の機能として、室内空間１における人の在／不在の可能性を示すスケジュールに従って、室内空間１における人の在／不在を判断し、その判断結果を配電レベル制御部２Ｃへ送る在／不在判断機能を有している。

配電レベル制御部２Ｃは、本実施の形態特有の機能として、システム制御部２Ｂからの在／不在の判断結果に従って、アンテナＡＮＴ１から室内空間１へ送信する電磁波のレベルを小電力と大電力とに切り替える配電レベル切替機能を有している。

なお、システム制御部２Ｂで使用する室内空間１における人の在／不在の可能性を示すスケジュールは、予めシステム制御部２Ｂに設定しておいてもよいし、アンテナＡＮＴ１，送受信部２Ｄ，受信制御部２Ｅの経路で、外部より変更可能に設定するようにしてもよい。

以下、図２に示すタイムチャートを参照しながら、この実施の形態１における無線電力供給装置２のシステム制御部２Ｂが有する在／不在判断機能および配電レベル制御部２Ｃが有する配電レベル切替機能について説明する。

なお、この例では、システム制御部２Ｂに、室内空間１における人の在／不在の可能性を示すスケジュールとして、人が在室できる時間帯（在室可の時間帯）として６時〜２２時の時間帯が定められ、それ以外の時間帯が人が在室することができない時間帯（在室不可の時間帯）として定められているものとする。

〔室内空間１に人が存在していると判断された場合〕
システム制御部２Ｂは、現在の時刻を監視し、この現在の時刻が６時〜２２時の時間帯にあれば、室内空間１における時間帯を在室可の時間帯と判断する。すなわち、室内空間１に人が存在している可能性が高く、室内空間１に人が存在すると判断する。そして、この判断結果を配電レベル制御部２Ｃへ送る。

配電レベル制御部２Ｃは、システム制御部２Ｂから室内空間１に人が存在する旨の判断結果が与えられると、室内空間１へ送信する電磁波のレベルを小電力とする。

この場合の小電力の電磁波とは、電波防護指針で定められている人体に影響を与えない程度の電磁波であり、その周波数が１．５Ｈｚ〜３００ＧＨｚである場合、非管理環境下では電力密度の上限値を１ｍＷ／ｃｍ²とし、管理環境下では電力密度の上限値を５ｍＷ／ｃｍ²とする。図２では、この場合の電力密度の上限値に応ずる電力レベルをＰＷsafeとして示しており、この電力レベルＰＷsafeよりも小さな値として小電力が定められる。

したがって、室内空間１に人が存在すると判断された場合、無線電力供給装置２からは、人体に影響を与える虞れのない電力レベルＰＷsafeよりも小さい小電力の電磁波が室内空間１に送信されるものとなる。

〔室内空間１に人が存在していないと判断された場合〕
システム制御部２Ｂは、現在の時刻を監視し、この現在の時刻が６時〜２２時以外の時間帯にあれば、室内空間１における時間帯を在室不可の時間帯と判断する。すなわち、室内空間１に人が存在していない可能性が高く、室内空間１に人が存在しないと判断する。そして、この判断結果を配電レベル制御部２Ｃへ送る。

配電レベル制御部２Ｃは、システム制御部２Ｂから室内空間１に人が存在しない旨の判断結果が与えられると、室内空間１へ送信する電磁波のレベルを大電力とする。

この場合の大電力の電磁波とは、人体に影響を与える虞れのない電力レベルＰＷsafeよりもその電力レベルが大きい電磁波であり、無線機器３の動作電力を十分確保し得る電力である。

したがって、室内空間１に人が存在しないと判断された場合、無線電力供給装置２からは、人体に影響を与える虞れのない電力レベルＰＷsafeよりも大きい大電力の電磁波が室内空間１に送信されるものとなる。

無線電力供給装置２から送信された電磁波（小電力の電磁波、大電力の電磁波）は、室内空間１を通り、無線機器３で受信される。無線機器３において、無線電力供給装置２からの電磁波は、整流部３Ｈへ送られる。整流部３Ｈは、その電磁波を電流に変換して整流し、この整流された電流を蓄電部３Ｉに送る。蓄電部３Ｉは、蓄電部３Ｉからの電流による電荷を蓄える。

この場合、室内空間１に人が存在すると判断されているときには、無線電力供給装置２からの小電力の電磁波からの電気エネルギーを受けて、蓄電部３Ｉへの蓄電が行われる。室内空間１に人が存在しないと判断されているときには、無線電力供給装置２からの大電力の電磁波からの電気エネルギーを受けて、蓄電部３Ｉへの蓄電が行われる。

ここで、室内空間１に人が存在すると判断されている場合、無線電力供給装置２からの小電力の電磁波より得られる電気エネルギーは小さい。しかし、この場合、蓄電部３Ｉには、室内空間１に人が存在いないと判断されていた場合の大電力の電磁波より得られる電気エネルギーが蓄えられている。室内空間１に人が存在すると判断されている場合には、この蓄電部３Ｉに蓄積されている電気エネルギーが使用され、小電力の電磁波の受信時の電源電力が確保される。

このようにして、本実施の形態では、室内空間１に人が存在すると判断されている場合、無線電力供給装置２から人体に影響を与える虞れのない小電力の電磁波が室内空間１に送信されるものとなり、電波防護指針を遵守しつつ、開空間無線電力配電方式で、大電力を必要とする無線機器３に支障なく電力を供給することができるようになる。

図３にこの実施の形態１における無線電力供給装置２の要部の機能ブロック図を示す。無線電力供給装置２は、スケジュール記憶部２−１と、在／不在判断部２−２と、配電レベル切替部２−３とを備えており、スケジュール記憶部２−１には室内空間１における人の在／不在の可能性を示すスケジュールが記憶されている。

この無線電力供給装置２において、在／不在判断部２−２は、スケジュール記憶部２−１に記憶されているスケジュールに従って、室内空間１における人の在／不在を判断する。配電レベル切替部２−３は、在／不在判断部２Ｂにおける人の在／不在の判断結果に従って、小電力の電磁波を送信するのか、大電力の電磁波を送信するのかを決定する。

〔参考例〕
図４に参考例として人検知センサを用いた無線電力配電システムの構成図を示す。この参考例では、室内空間１における人の在／不在を人検知センサ６を用いて検知し、その検知結果を無線で無線電力供給装置２へ送るようにしている。また、人検知センサ６は、本発明でいう無線機器の１つとして設けられ、無線電力供給装置２からの電磁波を受信し、自己の電源電力を生成して動作する機能を備えている。

人検知センサ６において、６Ａは人検知部、６Ｂは制御部、６Ｃは受信部、６Ｄは送信部、６Ｅは整流部、６Ｆは蓄電部、６Ｇは安定化電源部、ＡＮＴ３はアンテナであり、安定化電源部６Ｇが生成する電源電圧は人検知部６Ａ，制御部６Ｂ，受信部６Ｃ，送信部６Ｄに供給される。

以下、図５に示すタイムチャートを参照しながら、この参考例における無線電力供給装置２のシステム制御部２Ｂが有する在／不在判断機能および配電レベル制御部２Ｃが有する配電レベル切替機能について説明する。

〔室内空間１に人が存在している場合〕
人検知センサ６は、室内空間１における人の存在を検知すると（図５（ａ）に示すｔ１点）、その検知結果を無線電力供給装置２へ送信する。無線電力供給装置２は、人検知センサ６からの検知結果を受信すると、その検知結果をアンテナＡＮＴ１，送受信部２Ｄ，受信制御部２Ｅの経路でシステム制御部２Ｂへ送る。

システム制御部２Ｂは、受信制御部２Ｅを経由して送られてくる人検知センサ６からの検知結果に基づいて、室内空間１に人が存在すると判断する。そして、この判断結果を配電レベル制御部２Ｃへ送る。

この場合の小電力の電磁波とは、実施の形態１と同様、電波防護指針で定められている人体に影響を与えない程度の電磁波であり、その周波数が１．５Ｈｚ〜３００ＧＨｚである場合、非管理環境下では電力密度の上限値を１ｍＷ／ｃｍ²とし、管理環境下では電力密度の上限値を５ｍＷ／ｃｍ²とするものである。図５では、この場合の電力密度の上限値に応ずる電力レベルをＰＷsafeとして示している。

〔室内空間１に人が存在していない場合〕
人検知センサ６は、室内空間１における人の不在を検知すると（図５（ａ）に示すｔ２点）、その検知結果を無線電力供給装置２へ送信する。無線電力供給装置２は、人検知センサ６からの検知結果を受信すると、その検知結果をアンテナＡＮＴ１，送受信部２Ｄ，受信制御部２Ｅの経路でシステム制御部２Ｂへ送る。

システム制御部２Ｂは、受信制御部２Ｅを経由して送られてくる人検知センサ６からの検知結果に基づいて、室内空間１に人が存在しないと判断する。そして、この判断結果を配電レベル制御部２Ｃへ送る。

このようにして、この参考例でも実施の形態１と同様、室内空間１に人が存在すると判断されている場合、無線電力供給装置２から人体に影響を与える虞れのない小電力の電磁波が室内空間１に送信されるものとなり、電波防護指針を遵守しつつ、開空間無線電力配電方式で、大電力を必要とする無線機器３に支障なく電力を供給することができるようになる。

図６にこの参考例における無線電力供給装置２の要部の機能ブロック図を示す。無線電力供給装置２は、在／不在判断部２−２と、配電レベル切替部２−３とを備えている。この無線電力供給装置２において、在／不在判断部２−２は、人検知センサ６からの検知結果に従って、室内空間１における人の在／不在を判断する。配電レベル切替部２−３は、在／不在判断部２−２における人の在／不在の判断結果に従って、小電力の電磁波を送信するのか、大電力の電磁波を送信するのかを決定する。

なお、上述した実施の形態１では、電磁波を波動として用いた場合について説明したが、波動は電磁波に限られるものではなく、光や超音波などを波動として用いてもよい。波動が光の場合は、送信手段としてレーザ光照射手段、ＬＥＤ、電球などを用い、受信手段として太陽電池やフォトダイオードなどを用いる。また、波動が超音波の場合は、送受信手段としてピエゾ式振動子や電歪式振動子などを用いる。

本発明の一実施の形態（実施の形態１）を示す無線電力配電システムの構成図である。この実施の形態１の無線電力配電システムにおける無線電力供給装置のシステム制御部が有する在／不在判断機能および配電レベル制御部が有する配電レベル切替機能を説明するためのタイムチャートである。この実施の形態１における無線電力供給装置の要部の機能ブロック図である。人検知センサを用いた無線電力配電システムの構成図（参考例）である。参考例の無線電力配電システムにおける無線電力供給装置のシステム制御部が有する在／不在判断機能および配電レベル制御部が有する配電レベル切替機能を説明するためのタイムチャートである。参考例における無線電力供給装置の要部の機能ブロック図である。

符号の説明

１…室内空間、２…無線電力供給装置、２Ａ…安定化電源部、２Ｂ…システム制御部、２Ｃ…配電レベル制御部、２Ｄ…送受信部、２Ｅ…受信制御部、３…無線機器、３Ａ…モータ、３Ｂ…減速部、３Ｃ…ドライバ部、３Ｄ…位置検出部、３Ｅ…制御部、３Ｆ…受信部、３Ｇ…送信部、３Ｈ…整流部、３Ｉ…蓄電部、３Ｊ…安定化電源部、４…外部電源、５…外部コントローラ、６…人検知センサ、６Ａ…人検知部、６Ｂ…制御部、６Ｃ…受信部、６Ｄ…送信部、６Ｅ…整流部、６Ｆ…蓄電部、６Ｇ…安定化電源部、ＡＮＴ１，ＡＮＴ２，ＡＮＴ３…アンテナ、ＤＳ…駆動軸、２−１…スケジュール記憶部、２−２…在／不在判断部、２−３…配電レベル切替部。

Claims

室内空間へ無線によってエネルギーを波動として送信する波動送信装置と、この波動送信装置から送信される波動を受信しその受信した波動から自己の電源電力を生成して動作する１台以上の無線機器とを備える無線電力配電システムにおいて、
前記波動送信装置は、
前記室内空間に対して予め定められている人の在／不在の可能性を示すスケジュールに基づいて前記室内空間に人が存在するか否かを判断する在／不在判断手段と、
前記在／不在判断手段によって前記室内空間に人が存在すると判断された場合、人体に影響を与えない程度の小電力の波動として定められた第１の波動を前記室内空間に送信し、前記在／不在判断手段によって前記室内空間に人が存在しないと判断された場合、前記第１の波動よりも大電力の波動として定められた第２の波動を前記室内空間に送信する波動送信手段と
を備えることを特徴とする無線電力配電システム。