JP6760322B2 - Power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、電磁波を用いて電力の伝送を行う電力伝送システムに関するものであり、特にレトロディレクティブ方式を用いるものに関する。 The present invention relates to a power transmission system that transmits electric power using electromagnetic waves, and particularly to a system that uses a retrodirective method.
電力をマイクロ波などの電磁波に変換して送信し、これを受信することで電力を伝送する無線送電システムが知られている（たとえば特許文献１、非特許文献１）。 There are known wireless power transmission systems that convert electric power into electromagnetic waves such as microwaves, transmit the electric power, and transmit the electric power by receiving the electric power (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
この送電システムにおいて送電側に対して移動している移動体に電力を伝送する場合、移動体へと効率的に電力を供給するためには、送電方向を随時移動体へと向ける必要がある。 When power is transmitted to a moving body that is moving with respect to the power transmission side in this power transmission system, it is necessary to direct the power transmission direction to the moving body at any time in order to efficiently supply power to the moving body.
このような送電方向を移動体に追随させる方式として、レトロディレクティブ方式と呼ばれているものがある。これは次のような方式である。移動体側から送電側に信号を送信し、送電側がその信号を受信して移動体の位置や方向を検出する。たとえば、複数のアンテナにより移動体からの信号を検出し位相差から方向を検出する。そして、検出した方向に向けて送電を行う。 As a method of following the power transmission direction to the moving body, there is a method called a retro directive method. This is the following method. A signal is transmitted from the moving body side to the power transmitting side, and the power transmitting side receives the signal to detect the position and direction of the moving body. For example, a plurality of antennas detect a signal from a moving body and detect a direction from a phase difference. Then, power is transmitted in the detected direction.
また、バンアッタアレーアンテナ（たとえば特許文献２）を用いることも考えられる。このアンテナは、複数のアンテナ素子を対称に配置して、対となる２つのアンテナ素子を伝送路で接続し、その伝送路も対称にした構造である。そして、あるアンテナ素子で受信した信号を対となるアンテナ素子から送信することで、信号を受信した方向にそのまま自動的に送信することができるアンテナである。 It is also conceivable to use a van-atter array antenna (for example, Patent Document 2). This antenna has a structure in which a plurality of antenna elements are arranged symmetrically, two paired antenna elements are connected by a transmission line, and the transmission line is also symmetrical. Then, by transmitting the signal received by a certain antenna element from the paired antenna elements, the antenna can be automatically transmitted as it is in the direction in which the signal is received.
しかし、特許文献２のバンアッタアレーアンテナでは、移動体からの信号の周波数と、送電する電磁波の周波数は同一であり、アンテナ素子間の結合の影響が大きい場合、移動体からの信号に対して送電電波のレベルが大幅に大きいと、移動体からの信号の有無を検出できない問題があり、送電方向の精度に問題があった。 However, in the van-atter array antenna of Patent Document 2, the frequency of the signal from the moving body and the frequency of the transmitted electromagnetic wave are the same, and when the influence of the coupling between the antenna elements is large, the signal from the moving body is subjected to. When the level of the transmitted radio wave is significantly high, there is a problem that the presence or absence of a signal from a moving body cannot be detected, and there is a problem in the accuracy of the transmission direction.
この問題を解決するため、移動体からの信号の周波数と、送電する電磁波の周波数とを異なるものとし、干渉を低減することが検討されている。しかし、この方法では、２つの周波数それぞれの送受電システム、アンテナを準備する必要があるため、システムが複雑となり、高コスト化や装置サイズの大型化を招く問題があった。 In order to solve this problem, it is being studied to reduce the interference by making the frequency of the signal from the moving body different from the frequency of the electromagnetic wave to be transmitted. However, in this method, since it is necessary to prepare a power transmission / reception system and an antenna for each of the two frequencies, the system becomes complicated, and there is a problem that the cost increases and the device size increases.
そこで本発明の目的は、方向追随性が高く、低コストで小型なレトロディレクティブ方式の電力伝送システムを実現することである。 Therefore, an object of the present invention is to realize a retro-directive type power transmission system having high directional followability, low cost, and small size.
本発明は、電力を電磁波として送信する送電システムと、送電システムから送信された電磁波を受信する受電システムと、を有する電力伝送システムにおいて、受電システムは、送電システムからの電磁波と同一周波数の方向検出用信号を送電システムに送信する信号送信部を有し、送電システムは、受電システムからの方向検出用信号を受信する信号受信部と、電磁波の送信と停止を交互に繰り返すように制御し、その停止期間中に信号受信部により受信した方向検出用信号に基づき受電システムの方向および角速度を検出し、送信する電磁波の方向を、その検出した受電システムの方向に制御し、角速度が大きいほど電磁波の送信時間が短くするように制御する制御部と、を有する、ことを特徴とする電力伝送システムである。 The present invention is a power transmission system having a power transmission system that transmits power as electromagnetic waves and a power reception system that receives electromagnetic waves transmitted from the power transmission system. It has a signal transmitter that transmits the signal to the power transmission system, and the power transmission system controls the signal receiver that receives the direction detection signal from the power reception system and the transmission and stop of electromagnetic waves alternately. The direction and angular velocity of the power receiving system are detected based on the direction detection signal received by the signal receiving unit during the stop period, and the direction of the transmitted electromagnetic wave is controlled in the direction of the detected power receiving system. The larger the angular velocity, the more the electromagnetic wave. It is a power transmission system characterized by having a control unit that controls so as to shorten the transmission time .
制御部による方向の検出は、各種の手法を用いることができる。特に、制御部は、複数のアンテナ素子によって方向検出用信号を受信して、各アンテナ素子で受信した方向検出用信号の位相差により受電システムの方向を検出するものが好ましい。受電システムの方向を精度よく検出することができる。また、方向検出用信号は、受電システムの位置情報を含み、制御部は、信号に基づく送電システムの位置情報によって受電システムの方向を検出するものであってもよい。同様に受電システムの方向を高精度に検出することができる。 Various methods can be used to detect the direction by the control unit. In particular, it is preferable that the control unit receives the direction detection signal by a plurality of antenna elements and detects the direction of the power receiving system by the phase difference of the direction detection signal received by each antenna element. The direction of the power receiving system can be detected accurately. Further, the direction detection signal may include the position information of the power receiving system, and the control unit may detect the direction of the power receiving system based on the position information of the power transmission system based on the signal. Similarly, the direction of the power receiving system can be detected with high accuracy.
制御部は、方向検出用信号に基づき受電システムの角速度を検出し、角速度が大きいほど電磁波の送信時間が短くするように制御するとよい。電力の送信方向の追随性が向上し、より高効率に電力を送信することができる。特に、角速度と電磁波の送信時間とが反比例するように制御するとよい。 The control unit may detect the angular velocity of the power receiving system based on the direction detection signal, and control so that the larger the angular velocity, the shorter the transmission time of the electromagnetic wave. The followability of the power transmission direction is improved, and the power can be transmitted with higher efficiency. In particular, it is preferable to control so that the angular velocity and the transmission time of the electromagnetic wave are inversely proportional.
受電システムは、送電システムからの電磁波を受信したときにその電力を用いて方向検出用信号を生成し、方向検出用信号の送信タイミングを一定時間遅らせることで、電磁波を受信していない期間に方向検出用信号を送信するようにしてもよい。送信タイミングを遅らせる方法としては、蓄電池を用いたり、遅延回路を設けるなどがある。このようなシステムは、受電システムに電源の余裕がないシステム、たとえばセンサーネットワーク向け小電力センサの駆動に好適である。 When the power receiving system receives an electromagnetic wave from the power transmission system, the power is used to generate a direction detection signal, and the transmission timing of the direction detection signal is delayed for a certain period of time, so that the direction is during the period when the electromagnetic wave is not received. A detection signal may be transmitted. As a method of delaying the transmission timing, there are a storage battery and a delay circuit. Such a system is suitable for driving a system in which the power receiving system does not have enough power supply, for example, a low power sensor for a sensor network.
受電システムは、アレーアンテナにより電磁波を受信し、アレーアンテナのうち１つのアンテナ素子を用いて方向検出用信号を送信するのが好ましい。これにより、受電を効率的に行うことができるとともに、方向検出用信号を送電システムに効率的に送信することができる。 It is preferable that the power receiving system receives the electromagnetic wave by the array antenna and transmits the direction detection signal by using one of the antenna elements of the array antenna. As a result, it is possible to efficiently receive power and efficiently transmit a direction detection signal to the power transmission system.
電磁波および方向検出用信号の周波数は任意であるが、マイクロ波を用いることが好ましい。マイクロ波は大気による散乱の影響を受けにくく、より効率的に送電することができる。 The frequencies of the electromagnetic waves and the direction detection signals are arbitrary, but it is preferable to use microwaves. Microwaves are less susceptible to atmospheric scattering and can be transmitted more efficiently.
本発明によれば、送電停止期間中に移動体からの信号を干渉なく受信することができるので、送電方向を高精度とすることができ、低コストで小型な電力伝送システムを実現することができる。 According to the present invention, since the signal from the moving body can be received without interference during the power transmission suspension period, the power transmission direction can be made highly accurate, and a low-cost and compact power transmission system can be realized. it can.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the examples.
図１は、実施例１の電力伝送システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の電力伝送システムは、送電システム１と、受電システム２と、によって構成され、送電システム１から受電システム２へと電磁波を電力として伝送するシステムである。図２は、送電システム１のより詳細な構成を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power transmission system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the power transmission system of the first embodiment is composed of a power transmission system 1 and a power reception system 2, and transmits electromagnetic waves from the power transmission system 1 to the power reception system 2 as electric power. FIG. 2 is a diagram showing a more detailed configuration of the power transmission system 1.
（送電システム１の構成）
送電システム１は、第１アンテナ１０と、電力送信部１１と、信号受信部１２と、第１制御部１３と、によって構成されている。
(Configuration of power transmission system 1)
The power transmission system 1 is composed of a first antenna 10, a power transmission unit 11, a signal reception unit 12, and a first control unit 13.
第１アンテナ１０は、サーキュレータ１４により送受共用とされたアンテナであり、受電システム２に対して電力電波を送信するとともに、受電システム２からの方向検出用信号を受信するアンテナである。電力電波と方向検出用信号は同一周波数であり、たとえばマイクロ波である。また、第１アンテナ１０は、複数のアンテナ素子が二次元的に配列された構造のアレーアンテナであり、第１制御部による位相制御によって電力電波の送信方向を制御可能となっている。第１アンテナ１０は、たとえばマイクロストリップアレーアンテナである。 The first antenna 10 is an antenna shared by the circulator 14 for transmission and reception, and is an antenna that transmits power radio waves to the power receiving system 2 and receives a direction detection signal from the power receiving system 2. The power radio wave and the direction detection signal have the same frequency, for example, a microwave. Further, the first antenna 10 is an array antenna having a structure in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged, and the transmission direction of power radio waves can be controlled by phase control by the first control unit. The first antenna 10 is, for example, a microstrip array antenna.
電力送信部１１は、サーキュレータ１４と第１制御部１３に接続されており、第１制御部１３による制御によって電力電波を生成する。そして、電力電波をサーキュレータ１４を介して第１アンテナ１０へと伝送させ、第１アンテナ１０から放射させる。また、第１アンテナ１０の各アンテナ素子への電力電波は、それぞれ所定の位相差となるように設定されている。これにより、第１アンテナ１０から放射される電力電波が所定の方向にビームを形成するようにしている。 The power transmission unit 11 is connected to the circulator 14 and the first control unit 13, and generates electric power radio waves under the control of the first control unit 13. Then, the electric power radio wave is transmitted to the first antenna 10 via the circulator 14 and radiated from the first antenna 10. Further, the power radio waves to each antenna element of the first antenna 10 are set so as to have a predetermined phase difference. As a result, the electric power radio waves radiated from the first antenna 10 form a beam in a predetermined direction.
信号受信部１２は、サーキュレータ１４と第１制御部１３に接続されており、第１アンテナ１０からの方向検出用信号をサーキュレータ１４を介して受信する。そして、受信した方向検出用信号の位相を検出し、その位相は第１制御部１３に入力される。 The signal receiving unit 12 is connected to the circulator 14 and the first control unit 13, and receives the direction detection signal from the first antenna 10 via the circulator 14. Then, the phase of the received direction detection signal is detected, and the phase is input to the first control unit 13.
第１制御部１３は、所定のタイミングで電力電波の送信と停止を交互に繰り返えすように電力送信部１１を制御する（図３参照）。電力電波の送信停止期間に受信した方向検出用信号に基づき、その方向検出用信号の到来方向を検出する。そして、電力電波の送信方向がその到来方向となるように電力送信部１１を制御する。 The first control unit 13 controls the power transmission unit 11 so as to alternately repeat the transmission and stop of the power radio wave at a predetermined timing (see FIG. 3). Based on the direction detection signal received during the transmission stop period of the electric power radio wave, the arrival direction of the direction detection signal is detected. Then, the power transmission unit 11 is controlled so that the transmission direction of the power radio wave is the arrival direction.
ここで、方向検出用信号の到来方向の検出は、第１アンテナ１０の各アンテナ素子で受信した各方向検出用信号の位相差により検出する。また、電力電波の送信方向は、第１アンテナ１０の各アンテナ素子から送信する各電力電波の位相差により制御する。 Here, the arrival direction of the direction detection signal is detected by the phase difference of each direction detection signal received by each antenna element of the first antenna 10. Further, the transmission direction of the power radio wave is controlled by the phase difference of each power radio wave transmitted from each antenna element of the first antenna 10.
このように、電力電波の送信と停止を交互に繰り返すように制御することで、電力電波と方向検出用信号が同一周波数であっても、電力電波の停止期間中に干渉することなく方向検出用信号を受信することができ、精度よく受電システム２の方向を検出することができる。電力電波と方向検出用信号とで同一周波数とすることができるので、電力伝送システムの構成を簡略化することができ、低コスト化を図ることができる。 By controlling the transmission and stop of the power radio wave to be repeated alternately in this way, even if the power radio wave and the direction detection signal have the same frequency, the direction detection is performed without interfering with the power radio wave during the stop period. The signal can be received, and the direction of the power receiving system 2 can be detected with high accuracy. Since the power radio wave and the direction detection signal can have the same frequency, the configuration of the power transmission system can be simplified and the cost can be reduced.
電力電波の送信期間Ｔ１は一定ではなく、受電システム２の送電システム１から見た角速度ωに応じて後述のように設定する。電力電波の停止期間Ｔ２は一定であり、方向検出用信号を受信して受電システム２の方向を検出するために十分な時間であれば任意でよい。ただし、停止期間Ｔ２が長くなるとその分送信期間Ｔ１の割合が低下し、送電効率が悪化してしまうので、方向検出可能な範囲でなるべく停止期間Ｔ２を短くすることが好ましい。たとえば、停止期間Ｔ２は０．０１秒である。 The transmission period T1 of the electric power radio wave is not constant, and is set as described later according to the angular velocity ω seen from the power transmission system 1 of the power receiving system 2. The stop period T2 of the power radio wave is constant, and may be arbitrary as long as it is a sufficient time to receive the direction detection signal and detect the direction of the power receiving system 2. However, if the stop period T2 becomes long, the ratio of the transmission period T1 decreases by that amount, and the power transmission efficiency deteriorates. Therefore, it is preferable to shorten the stop period T2 as much as possible within the direction-detectable range. For example, the stop period T2 is 0.01 seconds.
送信期間Ｔ１は、受電システム２の角速度ωに反比例するように設定する。すなわち、Ｔ１×ω＝Ａとなるように送信期間Ｔ１を設定する。ここで比例定数Ａはたとえば０．１とする。ただし比例定数Ａは必ずしもこの値でなくともよい。比例定数Ａの最適値は、電力電波のビーム幅に依存するため、対象のシステムに応じて比例定数Ａを設定すればよい。具体的には、受電システム２は送信期間Ｔ１の間にＡ（ｒａｄ）移動するため、送電システム１が送信する電力電波のビーム幅がＡ（ｒａｄ）以上のシステムであれば、受電システム２を継続的に補足することができる。たとえば、角速度ω＝１ｒａｄ／ｓ、Ａ＝０．１の場合、Ｔ１＝Ａ／ω＝０．１（ｓ）であり、０．１秒間に受電システム２は０．１ｒａｄ（約６°）移動する。よって、電力電波のビーム幅が６°以上のシステムであれば、受電システム２を補足することができる。 The transmission period T1 is set so as to be inversely proportional to the angular velocity ω of the power receiving system 2. That is, the transmission period T1 is set so that T1 × ω = A. Here, the proportionality constant A is set to 0.1, for example. However, the proportionality constant A does not necessarily have to be this value. Since the optimum value of the proportionality constant A depends on the beam width of the electric power radio wave, the proportionality constant A may be set according to the target system. Specifically, since the power receiving system 2 moves A (rad) during the transmission period T1, if the beam width of the power radio wave transmitted by the power transmission system 1 is A (rad) or more, the power receiving system 2 is used. Can be supplemented continuously. For example, when the angular velocity ω = 1 rad / s and A = 0.1, T1 = A / ω = 0.1 (s), and the power receiving system 2 moves 0.1 rad (about 6 °) in 0.1 seconds. To do. Therefore, if the system has a beam width of 6 ° or more, the power receiving system 2 can be supplemented.
送信期間Ｔ１をこのように設定する理由は次の通りである。図４は、送信期間Ｔ１の長さと平均送信電力の関係を模式的に示したグラフである。また、図５は、送信期間Ｔ１の長さと受電システム２への追従性能（送信方向更新頻度）の関係を模式的に示したグラフである。図４、５のように、送信期間Ｔ１が長くなると平均送信電力は増大するが、逆に追従性能は減少していき、トレードオフの関係になっている。 The reason for setting the transmission period T1 in this way is as follows. FIG. 4 is a graph schematically showing the relationship between the length of the transmission period T1 and the average transmission power. Further, FIG. 5 is a graph schematically showing the relationship between the length of the transmission period T1 and the tracking performance (transmission direction update frequency) to the power receiving system 2. As shown in FIGS. 4 and 5, the average transmission power increases as the transmission period T1 becomes longer, but on the contrary, the tracking performance decreases, which is a trade-off relationship.
受電システム２の角速度ωが小さい場合、送電システム１から見て受電システム２の方向の変化は小さく、送信期間Ｔ１の間に受電システム２の方向が大きく変化してしまうことはない。そのため、送信期間Ｔ１をある程度大きくしてもさほど追従性能は低下せず、図４のように送信電力を大きくすることができる。 When the angular velocity ω of the power receiving system 2 is small, the change in the direction of the power receiving system 2 is small when viewed from the power transmitting system 1, and the direction of the power receiving system 2 does not change significantly during the transmission period T1. Therefore, even if the transmission period T1 is increased to some extent, the tracking performance does not deteriorate so much, and the transmission power can be increased as shown in FIG.
一方、受電システム２の角速度ωが大きい場合、送電システム１から見て受電システム２の方向の変化は大きく、送信期間Ｔ１の間に受電システム２の方向が大きく変化してしまう。そのため、角速度ωが小さい場合と同様の追従性能を維持するためには、図５に示すように、送信期間Ｔ１を短くする必要がある。 On the other hand, when the angular velocity ω of the power receiving system 2 is large, the direction of the power receiving system 2 changes greatly when viewed from the power transmission system 1, and the direction of the power receiving system 2 changes significantly during the transmission period T1. Therefore, in order to maintain the same tracking performance as when the angular velocity ω is small, it is necessary to shorten the transmission period T1 as shown in FIG.
このように、受電システム２が移動している場合に効率的に送電するためには、受電システム２の角速度ωに応じて送信期間Ｔ１を変化させる必要があり、角速度ωが大きいほど送信期間Ｔ１を短くする必要がある。これを満たすように送信期間Ｔ１を簡易に設定する方法として、実施例１では、送信期間Ｔ１が受電システム２の角速度ωに反比例するように設定している。 As described above, in order to efficiently transmit power when the power receiving system 2 is moving, it is necessary to change the transmission period T1 according to the angular velocity ω of the power receiving system 2. The larger the angular velocity ω, the more the transmission period T1. Needs to be shortened. As a method for simply setting the transmission period T1 so as to satisfy this, in the first embodiment, the transmission period T1 is set to be inversely proportional to the angular velocity ω of the power receiving system 2.
角速度ωは、前回検出した受電システム２の方向と、今回検出した受電システム２の方向の時間変化により求める。すなわち、前回検出した時刻をｔ１、方向をθ（ｔ１）、今回検出した時刻をｔ２、方向をθ（ｔ２）として、（θ（ｔ２）−θ（ｔ１））／（ｔ２−ｔ１）により角速度ωを求める。実施例１では、方向θは第１アンテナ１０の各アンテナ素子で受信した各方向検出用信号の位相差により検出するので、位相差の時間変化により角速度ωが求まる。 The angular velocity ω is obtained from the time change between the direction of the power receiving system 2 detected last time and the direction of the power receiving system 2 detected this time. That is, the angular velocity is (θ (t2) −θ (t1)) / (t2-t1), where t1 is the time detected last time, θ (t1) is the direction, t2 is the time detected this time, and θ (t2) is the direction. Find ω. In the first embodiment, since the direction θ is detected by the phase difference of each direction detection signal received by each antenna element of the first antenna 10, the angular velocity ω can be obtained by the time change of the phase difference.
なお、必ずしも送信期間Ｔ１が角速度ωに反比例するように設定する必要はなく、角速度ωが大きいほど送信期間Ｔ１が短くなるように設定すれば、同様に受電システム２への方向追従性を向上させることができ、効率的な送電を行うことができる。また、送信期間Ｔ１を一定としてもよいが、受電システム２への方向追従性が低下する可能性があり、上記のように受電システム２の角速度ωに応じて送信期間Ｔ１を設定する方が好ましい。 It is not always necessary to set the transmission period T1 to be inversely proportional to the angular velocity ω, and if the transmission period T1 is set to be shorter as the angular velocity ω is larger, the directional followability to the power receiving system 2 is similarly improved. It is possible to carry out efficient power transmission. Further, although the transmission period T1 may be constant, the directional followability to the power receiving system 2 may decrease, and it is preferable to set the transmission period T1 according to the angular velocity ω of the power receiving system 2 as described above. ..
次に、送信期間Ｔ１の設定の具体例を示す。まず、受電システム２が停止している場合について説明する。この場合、角速度ωは０であるため、送信期間Ｔ１は無限大となり、受電システム２が電力を必要としなくなるまで、あるいは送電システム１の送電エネルギーがなくなるまで、送信を継続する。ただし、送信期間Ｔ１を無限大とすると、送信期間Ｔ１中に方向検出用信号を受信して方向を検出することになるため、方向の検出精度が悪化する。そのため、停止していた受電システム２が移動を開始したときの方向追従性が悪化してしまう。そこで、送信期間Ｔ１に上限を設けておき、停止期間Ｔ２を確保して方向検出用信号を受信できるようにし、受電システム２の移動開始を精度よく検出できるようにしてもよい。 Next, a specific example of setting the transmission period T1 will be shown. First, a case where the power receiving system 2 is stopped will be described. In this case, since the angular velocity ω is 0, the transmission period T1 becomes infinite, and transmission is continued until the power receiving system 2 does not need power or the power transmission system 1 runs out of power transmission energy. However, if the transmission period T1 is set to infinity, the direction detection signal is received during the transmission period T1 to detect the direction, so that the direction detection accuracy deteriorates. Therefore, the directional followability when the stopped power receiving system 2 starts moving deteriorates. Therefore, an upper limit may be set in the transmission period T1 so that the stop period T2 can be secured so that the direction detection signal can be received so that the movement start of the power receiving system 2 can be detected accurately.
次に、図６のように、受電システム２が直線的に移動し、その直線上とは異なる位置に送電システム１が存在する場合について説明する。この場合、送電システム１から見て受電システム２の角速度ωが変化する。送電システム１と受電システム２の距離が離れている場合には角速度ωが小さく、送信期間Ｔ１は長くなる。一方、送電システム１と受電システム２の距離が近くなると角速度ωが大きくなり、送信期間Ｔ１は短くなる。送電システム１と受電システム２の距離が最も短くなるときの時刻をｔ０とすると、電力の送信、停止の動作は図７のようになる。 Next, as shown in FIG. 6, a case where the power receiving system 2 moves linearly and the power transmission system 1 exists at a position different from the straight line will be described. In this case, the angular velocity ω of the power receiving system 2 changes when viewed from the power transmission system 1. When the power transmission system 1 and the power reception system 2 are far apart, the angular velocity ω is small and the transmission period T1 is long. On the other hand, as the distance between the power transmission system 1 and the power reception system 2 becomes shorter, the angular velocity ω becomes larger and the transmission period T1 becomes shorter. Assuming that the time when the distance between the power transmission system 1 and the power reception system 2 is the shortest is t0, the operation of transmitting and stopping the power is as shown in FIG.
次に、図８のように、受電システム２が直線的に移動し、その直線上に送電システム１が存在する場合について説明する。この場合、角速度ωは０であるため、送信期間Ｔ１は無限大となり、受電システム２が停止している場合と同様の動作となる。しかし、実際上は完全に角速度ωが０となることはなく、微小な角速度ωが検出される。その結果、図９に示すように、十分に長い送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２とが交互に繰り返す動作となる。 Next, as shown in FIG. 8, a case where the power receiving system 2 moves linearly and the power transmission system 1 exists on the straight line will be described. In this case, since the angular velocity ω is 0, the transmission period T1 becomes infinite, and the operation is the same as when the power receiving system 2 is stopped. However, in practice, the angular velocity ω does not completely become 0, and a minute angular velocity ω is detected. As a result, as shown in FIG. 9, a sufficiently long transmission period T1 and a stop period T2 are alternately repeated.
図２は、送電システム１の構成をより詳細に示した図である。説明の簡単のため、第１アンテナ１０のアンテナ素子数が２の場合について説明する。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the power transmission system 1 in more detail. For the sake of simplicity, the case where the number of antenna elements of the first antenna 10 is 2 will be described.
図２のように、第１アンテナ１０は、アンテナ素子１００Ａ、Ｂの２つからなる。アンテナ素子１００Ａ、Ｂはそれぞれサーキュレータ１４０Ａ、Ｂに接続されている。アンテナ素子１００Ａ、Ｂにより受信した方向検出用信号は、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂにそれぞれ入力される。電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂは信号受信部１２に相当する。 As shown in FIG. 2, the first antenna 10 includes two antenna elements 100A and B. The antenna elements 100A and B are connected to the circulators 140A and B, respectively. The direction detection signals received by the antenna elements 100A and B are input to the PLL 120A and B with the voltage holding function, respectively. The PLL 120A and B with the voltage holding function correspond to the signal receiving unit 12.
電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂは、それぞれ位相比較器１２１Ａ、Ｂと、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１２２Ａ、Ｂと、電圧保持器１２３Ａ、Ｂと、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと、スイッチ１２５Ａ、Ｂと、によって構成され、この順にループ状に接続されている。 The PLL 120A and B with a voltage holding function include phase comparators 121A and B, LPF (low-pass filters) 122A and B, voltage controllers 123A and B, voltage controlled oscillators 124A and B, and switches 125A and B, respectively. , And are connected in a loop in this order.
スイッチ１２５Ａ、Ｂは、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間の接続と、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間の接続を切り替えるものであり、その接続切り替えは第１制御部１３によって制御される。電圧制御発信器１２４Ａとサーキュレータ１４０Ｂ、電圧制御発信器１２４Ｂとサーキュレータ１４０Ａの接続である点に留意する。電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間を接続する期間は、電力の送信期間Ｔ１に対応し、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続する期間は、電力送信の停止期間Ｔ２に対応する。 The switches 125A and B switch between the voltage controlled oscillators 124A and B and the phase comparators 121A and B and the voltage controlled oscillators 124A and B and the circulators 140B and A. The connection switching is controlled by the first control unit 13. Note that the voltage controlled oscillator 124A and the circulator 140B are connected, and the voltage controlled oscillator 124B and the circulator 140A are connected. The period of connecting the voltage controlled oscillators 124A and B and the circulators 140B and A corresponds to the power transmission period T1 and connects the voltage controlled oscillators 124A and B and the phase comparators 121A and B. The period corresponds to the power transmission stop period T2.
ＬＰＦ１２２Ａ、Ｂは第１制御部１３にも接続されている。スイッチ１２５Ａとサーキュレータ１４０Ｂとの間には増幅器１１０Ｂが挿入されており、スイッチ１２５Ｂとサーキュレータ１４０Ａとの間には増幅器１１０Ａが挿入されている。増幅器１１０Ａ、Ｂは、電力送信部１１に相当する。 LPF122A and B are also connected to the first control unit 13. An amplifier 110B is inserted between the switch 125A and the circulator 140B, and an amplifier 110A is inserted between the switch 125B and the circulator 140A. The amplifiers 110A and B correspond to the power transmission unit 11.
ここで、スイッチ１２５Ａ、Ｂが、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続し、ループが形成されている場合の動作は次の通りである。アンテナ素子１００Ａにより受信した方向検出用信号の位相をφ１、アンテナ素子１００Ｂにより受信した方向検出用信号の位相をφ１＋θとする。サーキュレータ１４０Ａ、Ｂからの方向検出用信号は、位相比較器１２１Ａ、Ｂにそれぞれ入力される。ＬＰＦ１２２Ａ、Ｂからは方向検出用信号の位相φ１、φ１＋θに比例した出力電圧Ｖ１、Ｖ２がそれぞれ出力され、第１制御部１３と電圧保持器１２３Ａ、Ｂにそれぞれ入力される。電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂは、電圧保持器１２３Ａ、Ｂに保持された出力電圧Ｖ１、Ｖ２に基づき、方向検出用信号と同一周波数で位相がφ１、φ１＋θの信号をそれぞれ生成する。そして、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂからの信号は位相比較器１２１Ａ、Ｂに入力される。これにより、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａでは位相φ１に、電圧制御発信器１２４Ｂでは位相φ１＋θにロックされる。 Here, the operation when the switches 125A and B connect the voltage controlled oscillators 124A and B and the phase comparators 121A and B to form a loop is as follows. The phase of the direction detection signal received by the antenna element 100A is φ1, and the phase of the direction detection signal received by the antenna element 100B is φ1 + θ. The direction detection signals from the circulators 140A and B are input to the phase comparators 121A and B, respectively. Output voltages V1 and V2 proportional to the phases φ1 and φ1 + θ of the direction detection signals are output from the LPF 122A and B, respectively, and are input to the first control unit 13 and the voltage holders 123A and B, respectively. The voltage controlled oscillators 124A and B generate signals having a phase of φ1 and φ1 + θ at the same frequency as the direction detection signal based on the output voltages V1 and V2 held by the voltage controllers 123A and B, respectively. Then, the signals from the voltage controlled oscillators 124A and B are input to the phase comparators 121A and B. As a result, the PLL 120A with the voltage holding function is locked to the phase φ1, and the voltage controlled oscillator 124B is locked to the phase φ1 + θ.
図１０は、第１制御部１３のより具体的な構成を示した図である。図１０のように、第１制御部１３は、電圧差計算部１３０と、記憶部１３１と、変化速度計算部１３２と、スイッチ制御部１３３と、によって構成されている。 FIG. 10 is a diagram showing a more specific configuration of the first control unit 13. As shown in FIG. 10, the first control unit 13 includes a voltage difference calculation unit 130, a storage unit 131, a change speed calculation unit 132, and a switch control unit 133.
電圧差計算部１３０には、ＬＰＦ１２２Ａ、Ｂからの出力電圧Ｖ１、Ｖ２がそれぞれ入力される。電圧差計算部１３０は、電圧差ΔＶ＝｜Ｖ１−Ｖ２｜を算出する。Ｖ１、Ｖ２はアンテナ素子１００Ａ、Ｂで受信した各方向検出用信号の位相φ１、φ１＋θに比例するので、ΔＶは、位相差θに比例した値である。電圧差計算部１３０により算出された電圧差ΔＶは、記憶部１３１と変化速度計算部１３２に入力される。 The output voltages V1 and V2 from the LPF 122A and B are input to the voltage difference calculation unit 130, respectively. The voltage difference calculation unit 130 calculates the voltage difference ΔV = | V1-V2 |. Since V1 and V2 are proportional to the phases φ1 and φ1 + θ of the directions detection signals received by the antenna elements 100A and B, ΔV is a value proportional to the phase difference θ. The voltage difference ΔV calculated by the voltage difference calculation unit 130 is input to the storage unit 131 and the change speed calculation unit 132.
変化速度計算部１３２は、現時刻ｔ２における電圧差ΔＶ（ｔ２）と、記憶部１３１に記憶された前回の時刻ｔ１における電圧差ΔＶ（ｔ１）とから、電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔ＝（ΔＶ（ｔ２）−ΔＶ（ｔ１））／（ｔ２−ｔ１）を算出する。電圧差ΔＶの時間変化は位相差θの時間変化であり、位相差θは受電システム２の方向を表すので、電圧差ΔＶの時間変化は受電システム２の角速度ωを示している。算出された電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔはスイッチ制御部１３３に入力される。 The change speed calculation unit 132 has a time change Δ (ΔV) of the voltage difference ΔV from the voltage difference ΔV (t2) at the current time t2 and the voltage difference ΔV (t1) at the previous time t1 stored in the storage unit 131. / Δt = (ΔV (t2) −ΔV (t1)) / (t2-t1) is calculated. Since the time change of the voltage difference ΔV is the time change of the phase difference θ and the phase difference θ represents the direction of the power receiving system 2, the time change of the voltage difference ΔV indicates the angular velocity ω of the power receiving system 2. The calculated time change Δ (ΔV) / Δt of the voltage difference ΔV is input to the switch control unit 133.
スイッチ制御部１３３は、電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔに基づき、スイッチ１２５Ａ、Ｂの接続の切り替えを行うための制御信号を生成する。制御信号によるスイッチ１２５Ａ、Ｂの切り替え制御により、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間を接続する期間と、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続する期間とを交互に繰り返す。 The switch control unit 133 generates a control signal for switching the connection of the switches 125A and B based on the time change Δ (ΔV) / Δt of the voltage difference ΔV. By switching the switches 125A and B by the control signal, the period for connecting the voltage controlled oscillators 124A and B and the circulators 140B and A and between the voltage controlled oscillators 124A and B and the phase comparators 121A and B. The period of connecting is repeated alternately.
電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続する期間は、電力送信の停止期間Ｔ２に対応し、一定の時間とする。停止期間Ｔ２中、方向検出用信号を受信し、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂにより方向検出用信号の位相φ１、φ１＋θを検出し、位相をロックする。 The period for connecting the voltage controlled oscillators 124A and B and the phase comparators 121A and B corresponds to the power transmission stop period T2 and is set to a fixed time. During the stop period T2, the direction detection signal is received, the phases φ1 and φ1 + θ of the direction detection signals are detected by the PLL 120A and B with the voltage holding function, and the phases are locked.
電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間を接続する期間は、電力の送信期間Ｔ１に対応し、電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔに反比例するように設定する。すなわち、Ｔ１＝Ａ（ｔ２−ｔ１）／（ΔＶ（ｔ２）−ΔＶ（ｔ１））により設定する。送信期間Ｔ１中、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａの電圧制御発信器１２４Ａからの位相φ１の信号は、増幅器１１０Ｂによって増幅され、電力電波としてアンテナ素子１００Ｂから送信される。また、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ｂの電圧制御発信器１２４Ｂからの位相φ１＋θの信号は、増幅器１１０Ａによって増幅され、電力電波としてアンテナ素子１００Ａから送信される。これにより、受電システム２の方向θにビーム方向を向けて電力電波を送信することができる。 The period for connecting the voltage controlled oscillators 124A and B and the circulators 140B and A corresponds to the power transmission period T1 and is set to be inversely proportional to the time change Δ (ΔV) / Δt of the voltage difference ΔV. That is, it is set by T1 = A (t2-t1) / (ΔV (t2) −ΔV (t1)). During the transmission period T1, the signal of phase φ1 from the voltage controlled oscillator 124A of the PLL 120A with a voltage holding function is amplified by the amplifier 110B and transmitted from the antenna element 100B as a power radio wave. Further, the signal of phase φ1 + θ from the voltage controlled oscillator 124B of the PLL 120B with a voltage holding function is amplified by the amplifier 110A and transmitted from the antenna element 100A as a power radio wave. As a result, the power radio wave can be transmitted with the beam direction directed to the direction θ of the power receiving system 2.
（受電システム２の構成）
受電システム２は、図１に示すように、第２アンテナ２０と、電力受信部２１と、信号送信部２２と、によって構成されている。
(Configuration of power receiving system 2)
As shown in FIG. 1, the power receiving system 2 is composed of a second antenna 20, a power receiving unit 21, and a signal transmitting unit 22.
第２アンテナ２０は、サーキュレータ２４により送受共用とされたアンテナであり、送電システム１からの電力電波を受信するとともに、受電システム２から方向検出用信号を送信するアンテナである。また、第２アンテナ２０は、複数のアンテナ素子が二次元的に配列された構造のアレーアンテナであり、たとえばマイクロストリップアレーアンテナである。第２アンテナ２０をアレーアンテナとすることで効率的に電力電波を受電することができる。一方で、方向検出用信号の送信には、アレーアンテナの複数のアンテナ素子のうち１つを用いて送信する。これにより方向検出用信号の送信を無指向性とし、受電システム２から見て送電システム１がどの方向にあっても効率的に受電システム２へ方向検出用信号を送信することができる。 The second antenna 20 is an antenna shared by the circulator 24 for transmission and reception, and is an antenna that receives power radio waves from the power transmission system 1 and transmits a direction detection signal from the power reception system 2. Further, the second antenna 20 is an array antenna having a structure in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged, and is, for example, a microstrip array antenna. By using the second antenna 20 as an array antenna, it is possible to efficiently receive electric power radio waves. On the other hand, for the transmission of the direction detection signal, one of the plurality of antenna elements of the array antenna is used for transmission. As a result, the transmission of the direction detection signal is omnidirectional, and the direction detection signal can be efficiently transmitted to the power receiving system 2 regardless of the direction in which the power transmission system 1 is viewed from the power receiving system 2.
電力受信部２１は、サーキュレータ２４に接続されており、第２アンテナ２０により受信した電力電波はサーキュレータ２４を介して電力受信部２１に入力される。電力受信部２１は、整流部を有し、入力された電力電波を整流して負荷２５に供給する。 The power receiving unit 21 is connected to the circulator 24, and the power radio wave received by the second antenna 20 is input to the power receiving unit 21 via the circulator 24. The power receiving unit 21 has a rectifying unit, rectifies the input power radio wave, and supplies it to the load 25.
信号送信部２２は、サーキュレータ２４に接続されており、方向検出用信号を生成する発振器である。方向検出用信号はサーキュレータ２４を介して第２アンテナ２０に入力され、第２アンテナ２０から方向検出用信号が送信される。方向検出用信号は、たとえば単なる連続波である。信号送信部２２は、方向検出用信号を生成するための電源２３に接続されており、第２アンテナ２０から方向検出用信号が常時送信される。 The signal transmission unit 22 is an oscillator that is connected to the circulator 24 and generates a direction detection signal. The direction detection signal is input to the second antenna 20 via the circulator 24, and the direction detection signal is transmitted from the second antenna 20. The direction detection signal is, for example, a simple continuous wave. The signal transmission unit 22 is connected to a power source 23 for generating a direction detection signal, and the direction detection signal is constantly transmitted from the second antenna 20.
次に、実施例１の電力伝送システムの動作について説明する。 Next, the operation of the power transmission system of the first embodiment will be described.
まず、受電システム２は、送電を開始してもらうため、そして受電システム２の方向を知らせるために、方向検出用信号を送信する。ここで、送電システム１の方向は不明である。そこで、方向検出用信号は無指向性とするのがよい。たとえば、第２アンテナ２０の各アンテナ素子のうち１つのみから送信することで無指向性とする。これにより、送電システム１が受電システム２から見てどの方向であっても方向検出用信号を受信できるようにする。以降、受電システム２は方向検出用信号を継続的に送信する。 First, the power receiving system 2 transmits a direction detection signal in order to have the power transmission started and to inform the direction of the power receiving system 2. Here, the direction of the power transmission system 1 is unknown. Therefore, the direction detection signal should be omnidirectional. For example, it is omnidirectional by transmitting from only one of the antenna elements of the second antenna 20. As a result, the power transmission system 1 can receive the direction detection signal in any direction as viewed from the power reception system 2. After that, the power receiving system 2 continuously transmits the direction detection signal.
送電システム１は、受電システム２からの方向検出用信号を受信する。そして、方向検出用信号から受電システム２の方向を検出する。次に、送電システム１は受電システム２の方向にビームを向けて電力電波を送信する。ここで、電力電波は、電力の送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２を交互に繰り返すように制御する。電力電波の送信の停止期間Ｔ２中に受電システム２からの方向検出用信号を受信することで、高精度に受電システム２の方向を検出することができる。そして、電力の送信期間Ｔ１中に、検出した方向に電力電波を修正して送信することで、受電システム２の移動に対して追随することができ、効率的に受電システム２へ電力を送信することができる。 The power transmission system 1 receives the direction detection signal from the power reception system 2. Then, the direction of the power receiving system 2 is detected from the direction detection signal. Next, the power transmission system 1 directs a beam in the direction of the power reception system 2 to transmit electric power radio waves. Here, the electric power radio wave is controlled so that the electric power transmission period T1 and the stop period T2 are alternately repeated. By receiving the direction detection signal from the power receiving system 2 during the stop period T2 of the transmission of the power radio wave, the direction of the power receiving system 2 can be detected with high accuracy. Then, during the power transmission period T1, the power radio wave is corrected and transmitted in the detected direction, so that the movement of the power receiving system 2 can be followed and the power is efficiently transmitted to the power receiving system 2. be able to.
また、送信期間Ｔ１は、受電システム２の角速度ωに反比例するように設定している。そのため、電力電波の方向追従性と、電力の送信期間Ｔ１とのバランスがよく、効率的に電力を伝送することができる。 Further, the transmission period T1 is set to be inversely proportional to the angular velocity ω of the power receiving system 2. Therefore, the directional followability of the electric power radio wave and the electric power transmission period T1 are well-balanced, and the electric power can be efficiently transmitted.
なお、受電システム２が移動している場合、電力の送信期間Ｔ１の間にも受電システム２は移動して、送電システム１から見た受電システム２の方向も刻々と変化する。そこで、電力電波の到達面の直径が、受電システム２の移動速度に送信期間Ｔ１を乗じた値以上となるように、電力電波を送信するように設定することが好ましい。ここで、電波の到達面は、電力電波の送信方向を中心軸として、その中心軸に垂直でかつ受電システム２を含む面であって、電力がピークの半分となる円形の領域とする。電力電波の到達面の直径は、電力を送信するアンテナ素子数を変えることによって制御可能であり、アンテナ素子数が少ないほど到達面の直径を大きくすることができ、アンテナ素子数が多いほど到達面の直径を小さくすることができる。 When the power receiving system 2 is moving, the power receiving system 2 also moves during the power transmission period T1, and the direction of the power receiving system 2 as seen from the power transmission system 1 changes every moment. Therefore, it is preferable to set the power radio waves to be transmitted so that the diameter of the arrival surface of the power radio waves is equal to or greater than the value obtained by multiplying the moving speed of the power receiving system 2 by the transmission period T1. Here, the arrival surface of the radio wave is a surface that is perpendicular to the central axis and includes the power receiving system 2 with the transmission direction of the power radio wave as the central axis, and is a circular region where the power is half of the peak. The diameter of the reaching surface of the electric power radio wave can be controlled by changing the number of antenna elements that transmit electric power. The smaller the number of antenna elements, the larger the diameter of the reaching surface, and the larger the number of antenna elements, the larger the reaching surface. The diameter of the can be reduced.
受電システム２は、送電システム１からの送電が必要なくなった場合、方向検出用信号の送信を停止する。たとえば受電システム２の蓄電池が満充電となった場合である。送電システム１は、停止期間中の方向検出用信号の受信がなくなったら、電力電波の送信を停止する。 The power receiving system 2 stops the transmission of the direction detection signal when the power transmission from the power transmission system 1 is no longer required. For example, this is the case when the storage battery of the power receiving system 2 is fully charged. The power transmission system 1 stops the transmission of electric power radio waves when the reception of the direction detection signal during the stop period is stopped.
以上、実施例１の電力伝送システムによれば、送電システム１から送信される電力電波と、受電システム２から送信される方向検出用信号の周波数が同一であっても、送電システム１は受電システム２の方向を精度よく検出し追随することができ、高効率に電力を伝送することができる。また、電力電波と方向検出用信号の周波数が同一であるため、システムの小型化、低コスト化を実現することができる。 As described above, according to the power transmission system of the first embodiment, even if the power radio wave transmitted from the power transmission system 1 and the direction detection signal transmitted from the power reception system 2 have the same frequency, the power transmission system 1 is the power reception system. It is possible to accurately detect and follow the two directions, and it is possible to transmit power with high efficiency. Further, since the frequencies of the power radio wave and the direction detection signal are the same, the system can be downsized and the cost can be reduced.
実施例１の電力伝送システムは、受電システム２に電源の余裕があり、電力電波が来る前の段階で受電システム２の発信部を駆動することができる場合に適用可能なシステムである。たとえば、工場内の自動搬送装置に電力を供給する場合に好適である。 The power transmission system of the first embodiment is a system applicable when the power receiving system 2 has a margin of power supply and can drive the transmitting unit of the power receiving system 2 at a stage before the power radio wave arrives. For example, it is suitable for supplying electric power to an automatic transfer device in a factory.
実施例２の電力伝送システムは、実施例１の電力伝送システムにおける受電システム２を以下に説明する受電システム２００に置き換えたものである。他の構成については実施例１と同様である。 The power transmission system of the second embodiment replaces the power receiving system 2 in the power transmission system of the first embodiment with the power receiving system 200 described below. Other configurations are the same as in the first embodiment.
受電システム２００は、図１１のように、第２アンテナ２０と、整流部２０５と、蓄電部２０１と、発振部２０２と、制御部２０３と、スイッチ２０４と、を有している。第２アンテナ２０は実施例１と同様である。 As shown in FIG. 11, the power receiving system 200 includes a second antenna 20, a rectifying unit 205, a power storage unit 201, an oscillation unit 202, a control unit 203, and a switch 204. The second antenna 20 is the same as in the first embodiment.
整流部２０５は、第２アンテナ２０に接続されており、第２アンテナ２０からの電力電波を整流して出力する。その直流電力は蓄電部２０１に入力される。 The rectifying unit 205 is connected to the second antenna 20 and rectifies and outputs the power radio wave from the second antenna 20. The DC power is input to the power storage unit 201.
蓄電部２０１は、発振部２０２、制御部２０３に接続されている。蓄電部２０１に整流部２０５からの直流電力が入力され、一定の電力が蓄電されると、発振部２０２、制御部２０３に電力が供給される。このように、蓄電部２０１を設けることで、発振部２０２、制御部２０３への電力供給のタイミングを、電力電波を受信したタイミングよりも遅れるようにしている。整流部２０５あるいは蓄電部２０１から出力される電力の一部は、負荷へと供給される。 The power storage unit 201 is connected to the oscillation unit 202 and the control unit 203. When DC power from the rectifying unit 205 is input to the power storage unit 201 and a certain amount of power is stored, power is supplied to the oscillation unit 202 and the control unit 203. In this way, by providing the power storage unit 201, the timing of power supply to the oscillation unit 202 and the control unit 203 is delayed from the timing of receiving the power radio wave. A part of the electric power output from the rectifying unit 205 or the power storage unit 201 is supplied to the load.
なお、電力供給のタイミングを遅らせる手段として、蓄電部２０１に替えて遅延回路などを設けてもよい。 As a means for delaying the timing of power supply, a delay circuit or the like may be provided instead of the power storage unit 201.
発振部２０２は、蓄電部２０１から電力が供給されると、電力電波と同一周波数の方向検出用信号を生成して出力する。また、制御部２０３は、蓄電部２０１から電力が供給されると、スイッチ２０４をオンに制御する。スイッチ２０４は、発振部２０２と第２アンテナ２０との間に設けられている。通常は発振部２０２と第２アンテナ２０との間の導通はオフになっており、制御部２０３による制御によってオンとなり、発振部２０２と第２アンテナ２０との間が導通する。スイッチ２０４がオンになると、発振部２０２からの方向検出用信号が第２アンテナ２０に入力され、第２アンテナ２０から方向検出用信号が送信される。 When power is supplied from the power storage unit 201, the oscillating unit 202 generates and outputs a direction detection signal having the same frequency as the power radio wave. Further, the control unit 203 controls the switch 204 to be turned on when the electric power is supplied from the power storage unit 201. The switch 204 is provided between the oscillator 202 and the second antenna 20. Normally, the continuity between the oscillating unit 202 and the second antenna 20 is turned off, and is turned on by the control by the control unit 203, so that the oscillating unit 202 and the second antenna 20 conduct. When the switch 204 is turned on, the direction detection signal from the oscillation unit 202 is input to the second antenna 20, and the direction detection signal is transmitted from the second antenna 20.
ここで、第２アンテナ２０により電力電波を受信してから方向検出用信号が送信されるまでの時間は、電力の送信期間Ｔ１におよそ一致するように設定されている。たとえば、蓄電部２０１に直流電力が入力されて一定の電力が蓄電された後に放電するまでの時間を調整することでこれが可能となる。また、発振部２０２、制御部２０３の駆動時間が電力送信の停止期間Ｔ２におよそ一致するように設定されている。 Here, the time from the reception of the power radio wave by the second antenna 20 to the transmission of the direction detection signal is set so as to substantially coincide with the power transmission period T1. For example, this can be achieved by adjusting the time from when DC power is input to the power storage unit 201 to when a certain amount of power is stored and then discharged. Further, the drive times of the oscillation unit 202 and the control unit 203 are set so as to substantially coincide with the stop period T2 of power transmission.
次に、実施例２の電力伝送システムの動作について説明する。 Next, the operation of the power transmission system of the second embodiment will be described.
まず、送電システム１は、第１制御部１３による制御により第１アンテナ１０からの電力電波のビーム方向を二次元的に走査する。また、電力電波の送信は、実施例１と同様に送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２とを交互に繰り返すように制御する。ただし、受電システム２００の角速度ωが不明であるため、送信期間Ｔ１は所定の一定値とする。 First, the power transmission system 1 two-dimensionally scans the beam direction of the power radio wave from the first antenna 10 under the control of the first control unit 13. Further, the transmission of the electric power radio wave is controlled so that the transmission period T1 and the stop period T2 are alternately repeated as in the first embodiment. However, since the angular velocity ω of the power receiving system 200 is unknown, the transmission period T1 is set to a predetermined constant value.
受電システム２００は、第２アンテナ２０により送電システム１からの電力電波を受信すると、その整流部２０５により整流後、電力を蓄電部２０１に蓄電する。そして、一定の電力が蓄電されるまで経過すると、蓄電した電力の一部を発振部２０２と制御部２０３に供給する。これにより、発振部２０２は方向検出用信号を生成し、制御部２０３はスイッチ２０４を制御して発振部２０２と第２アンテナ２０間の接続をオンにする。発振部２０２からの方向検出用信号は第２アンテナ２０に入力され、送信される。その後、送電システム１からの電力電波を受信しなくなると、蓄電部２０１から発振部２０２、制御部２０３への電力供給がなくなり、発振部２０２からの方向検出用信号の生成が停止し、スイッチ２０４はオフになって、発振部２０２と第２アンテナ２０間の接続がオフになる。 When the power receiving system 200 receives the power radio wave from the power transmission system 1 by the second antenna 20, the power receiving system 200 stores the power in the power storage unit 201 after being rectified by the rectifying unit 205. Then, when a certain amount of electric power is stored, a part of the stored electric power is supplied to the oscillation unit 202 and the control unit 203. As a result, the oscillating unit 202 generates a direction detection signal, and the control unit 203 controls the switch 204 to turn on the connection between the oscillating unit 202 and the second antenna 20. The direction detection signal from the oscillating unit 202 is input to the second antenna 20 and transmitted. After that, when the power radio wave from the power transmission system 1 is no longer received, the power supply from the power storage unit 201 to the oscillation unit 202 and the control unit 203 is stopped, the generation of the direction detection signal from the oscillation unit 202 is stopped, and the switch 204 Is turned off, and the connection between the oscillator 202 and the second antenna 20 is turned off.
ここで、蓄電部２０１によって発振部２０２、制御部２０３への電力供給のタイミングを、電力電波を受信したタイミングよりも遅れるようにしており、第２アンテナ２０により電力電波を受信してから方向検出用信号が送信されるまでの時間は、電力の送信期間Ｔ１におよそ一致するように設定されている。そのため、方向検出用信号の送信が開始されるタイミングは、電力電波の受信が終了するタイミングとおよそ一致し、電力送信の停止期間Ｔ２に方向検出用信号が送信されることになる。また、発振部２０２、制御部２０３への電力供給が開始してから終了するまでの期間は、電力送信の停止期間Ｔ２におよそ一致するように設定されている。そのため、方向検出用信号の送信が停止されるタイミングで、再び電力電波の受信が開始されることになる。 Here, the power storage unit 201 delays the timing of power supply to the oscillation unit 202 and the control unit 203 from the timing of receiving the power radio wave, and the direction is detected after the power radio wave is received by the second antenna 20. The time until the signal is transmitted is set so as to approximately match the power transmission period T1. Therefore, the timing at which the transmission of the direction detection signal is started substantially coincides with the timing at which the reception of the power radio wave ends, and the direction detection signal is transmitted during the power transmission stop period T2. Further, the period from the start to the end of the power supply to the oscillation unit 202 and the control unit 203 is set so as to substantially coincide with the power transmission stop period T2. Therefore, the reception of the power radio wave is started again at the timing when the transmission of the direction detection signal is stopped.
送電システム１は、電力送信の停止期間Ｔ２に方向検出用信号を受信し、方向検出用信号から受電システム２００の方向を検出する。次に、送電システム１は電力電波のビーム方向の走査をやめて、受電システム２００の方向にビームを向けて電力電波を送信する。その後は実施例１と同様に動作する。 The power transmission system 1 receives the direction detection signal during the power transmission stop period T2, and detects the direction of the power reception system 200 from the direction detection signal. Next, the power transmission system 1 stops scanning the power radio wave in the beam direction, directs the beam in the direction of the power receiving system 200, and transmits the power radio wave. After that, the operation is the same as in the first embodiment.
以上、受電システム２００では、サーキュレータを用いずにスイッチ２０４によって電力電波の受信と方向検出用信号の送信とを切り替えている。サーキュレータは一般的に高周波線路が用いられ、サイズが波長オーダーとなるためサイズが大きくなるが、実施例２ではスイッチ２０４を用いているため、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。また、受電システム２００は、方向検出用信号を生成するための電源を必要とせず、電力電波の受信中は方向検出用信号の送信を停止することができる。そのため、受電システム２００の省電力化を図ることができる。 As described above, in the power receiving system 200, the reception of the power radio wave and the transmission of the direction detection signal are switched by the switch 204 without using the circulator. A high-frequency line is generally used for the circulator, and the size becomes large because the size is on the order of wavelength. However, since the switch 204 is used in the second embodiment, the device can be downsized and the cost can be reduced. Further, the power receiving system 200 does not require a power source for generating the direction detection signal, and can stop the transmission of the direction detection signal while receiving the power radio wave. Therefore, the power saving of the power receiving system 200 can be achieved.
実施例２の電力伝送システムは、受電システム２００側に電源の余裕がない、あるいは非常に小さなセンサーネットワーク向け小電力センサの駆動に好適である。 The power transmission system of the second embodiment is suitable for driving a low power sensor for a sensor network in which the power receiving system 200 has no margin of power supply or is very small.
なお、実施例では、受信した方向検出用信号の位相差により受電システムの方向を検出しているが、他の方法により方向を検出してもよい。たとえば、受電システムにＧＰＳなどの衛星測位システムを設けて位置情報を取得し、その位置情報を含む方向検出用信号を送信し、送電システム１においてその位置情報から受電システム２の方向を検出してもよい。また、方向検出用信号の受信電力により方向を検出してもよい。たとえば、ループアンテナを回転させたときの受信電力の変動や、複数のループアンテナを用いて受信電力から方向を検出する方法であってもよい。もちろん、これらの方向検出方法を組み合わせて用いることも可能である。 In the embodiment, the direction of the power receiving system is detected by the phase difference of the received direction detection signal, but the direction may be detected by another method. For example, a satellite positioning system such as GPS is provided in the power receiving system to acquire position information, a direction detection signal including the position information is transmitted, and the power transmission system 1 detects the direction of the power receiving system 2 from the position information. May be good. Further, the direction may be detected by the received power of the direction detection signal. For example, it may be a method of detecting the fluctuation of the received power when the loop antenna is rotated or the direction from the received power by using a plurality of loop antennas. Of course, it is also possible to use these direction detection methods in combination.
また、実施例はマイクロ波による送電であるが、本発明は任意の周波数の電磁波を送電に用いてよい。ただし、マイクロ波は大気による散乱の影響を受けにくいので、送電効率を高めるためにはマイクロ波が好ましい。 Further, although the embodiment is power transmission by microwaves, the present invention may use electromagnetic waves of any frequency for power transmission. However, since microwaves are not easily affected by atmospheric scattering, microwaves are preferable in order to improve power transmission efficiency.
本発明は、無線で電力を送電することに利用できる。 The present invention can be used to transmit electric power wirelessly.
１：送電システム
２：受電システム
１０：第１アンテナ
１１：電力送信部
１２：信号受信部
１３：第１制御部
２０：第２アンテナ
２１：電力受信部
２２：信号送信部
1: Power transmission system 2: Power reception system 10: First antenna 11: Power transmission unit 12: Signal reception unit 13: First control unit 20: Second antenna 21: Power reception unit 22: Signal transmission unit
Claims (7)
前記受電システムは、
前記送電システムからの前記電磁波と同一周波数の方向検出用信号を前記送電システムに送信する信号送信部を有し、
前記送電システムは、
前記受電システムからの前記方向検出用信号を受信する信号受信部と、
前記電磁波の送信と停止を交互に繰り返すように制御し、その停止期間中に前記信号受信部により受信した前記方向検出用信号に基づき前記受電システムの方向および角速度を検出し、送信する前記電磁波の方向を、その検出した前記受電システムの方向に制御し、前記角速度が大きいほど前記電磁波の送信時間が短くするように制御する制御部と、を有する、
ことを特徴とする電力伝送システム。 In a power transmission system having a power transmission system that transmits electric power as electromagnetic waves and a power reception system that receives electromagnetic waves transmitted from the power transmission system.
The power receiving system
It has a signal transmission unit that transmits a direction detection signal having the same frequency as the electromagnetic wave from the power transmission system to the power transmission system.
The power transmission system
A signal receiving unit that receives the direction detection signal from the power receiving system, and
The electromagnetic wave is controlled so as to alternately repeat transmission and stop, and the direction and angular velocity of the power receiving system are detected based on the direction detection signal received by the signal receiving unit during the stop period, and the electromagnetic wave transmitted. It has a control unit that controls the direction in the direction of the detected power receiving system and controls that the larger the angular velocity is, the shorter the transmission time of the electromagnetic wave is .
A power transmission system characterized by that.
前記制御部は、前記信号に基づく前記受電システムの位置情報によって前記受電システムの方向を検出する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。 The direction detection signal includes the position information of the power receiving system.
The power transmission system according to claim 1, wherein the control unit detects the direction of the power receiving system based on the position information of the power receiving system based on the signal.
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