JP7210000B2 - 受光モジュールおよび光給電システム - Google Patents

Description

本発明は、光給電システムに関する。

スマートフォンやタブレット端末をはじめとする電子機器に対する無線給電が実用化されている。現在、実用化されている無線給電は、数百ｋＨｚの周波数帯域の電磁波を利用したものであり、電磁誘導方式や磁界共鳴方式などが知られている。なお光は本質的に電磁波の一種であるが、本明細書において単に電磁波という場合、光よりも波長の長い電磁波を指すものとする。

電磁波に代えて光を利用した光給電が提案されている。光は、電磁波に比べて指向性が強いという特性を有するため、発散角の小さいビームを用いることで、長距離を少ない減衰で高効率にエネルギーを伝搬できるという利点がある。

受光モジュールは、太陽電池などの光電変換素子を有する。本発明者は、受光モジュールについて検討したところ、以下の課題を認識するに至った。

図１（ａ）、（ｂ）は、太陽電池２と、それに入射する光ビーム４の位置関係および光ビーム４の強度分布（断面プロファイル）を示す図である。破線５は、光ビーム４が照射される範囲を示す。太陽電池２は、半導体製造プロセスを用いて製造されるため、矩形（ここでは正方形とする）であるのが一般的である。一方、太陽電池２に入射する光ビーム４は、光学系の制約から円形のプロファイルを有する場合が多い。

図１（ａ）では、光ビーム４の直径は、太陽電池２の一辺と同じかそれよりも短い。この場合、太陽電池２のうち、光ビーム４が照射されない領域（ハッチングを付す）は発電に寄与しないため無駄になる。

図１（ｂ）では、光ビーム４の直径は、太陽電池２の対角線よりも長い。この場合、太陽電池２の全面にわたり、光ビーム４が照射されるが、光ビーム４の端の一部が無駄になる。加えて、図１（ａ）、（ｂ）の場合に、光ビーム４の中心が、太陽電池２と一致するとは限らず、光ビーム４の照射位置がずれると、さらに光ビームは無駄になる。

太陽電池２の１セル当たりの開放電圧は、シリコンの場合で０．５～０．６Ｖであり、用途によっては使いにくい。数Ｖの開放電圧が必要な用途では、複数のセルを電気的に直列接続して開放電圧を大きくした太陽電池モジュール２Ａが用いられる。図２（ａ）、（ｂ）は、複数のセル６を含む太陽電池モジュール２Ａを示す図である。図２（ａ）に示すように、たとえば複数のセル６＿１～６＿ｎは、モジュールの一方向（図中、ｘ方向）に沿って並べられている。図２（ｂ）には太陽電池モジュール２Ａの等価回路図が示される。

太陽電池モジュール２Ａの性能をフルに発揮させるためには、複数のセル６＿１～６＿ｎのすべてに光が照射していなければならず、モジュールの受光面全体にわたり均一に光ビームが照射している必要がある。

このように従来では、太陽電池（あるいは太陽電池モジュール）の性能のすべてを発揮できておらず、あるいは入射ビームのエネルギーのすべてを有効に利用できているとは言いがたい。言い換えれば、受光モジュールの性能には、改善の余地が残されている。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、受光モジュールの性能の改善にある。

本発明のある態様は受光モジュールに関する。受光モジュールは、光源モジュールから光ビームを受ける。受光モジュールは、光電変換素子と、光電変換素子に入射する光ビームの経路上に設けられた一対のフライアイレンズおよび結像レンズを含む光学系と、を備える。

この態様によると、光電変換素子の全面にわたり、均一な光ビームを照射でき、受光モジュールの性能を改善できる。

光電変換素子は、直列に接続される複数のセルを含んでもよい。この場合、複数のセルに均一に光ビームを照射できるため、光電変換素子の性能を発揮できる。

フライアイレンズを構成するレンズエレメントの形状は、光電変換素子の受光領域の形状と実質的に同一であってもよい。これにより、光電変換素子の受光領域全体に、ビームを照射することが可能となる。

光学系は、結像レンズと光電変換素子に挟まれる空間の周囲を覆う第１反射板をさらに含んでもよい。受光モジュールの入射面に対して大きな入射角で光ビームが入射したときに、結像レンズを通過した光は、光電変換素子の受光面からずれた位置に結像しようとするが、第１反射板を設けることで、結像レンズを通過した光を受光面上に戻すことができる。

光学系は、一対のフライアイレンズの入射面側のレンズと結像レンズに挟まれる空間の周囲を覆う第２反射板をさらに含んでもよい。これにより、散逸しようとする光を閉じ込めることができる。

光学系は、一対のフライアイレンズの入射面側のレンズよりも光源モジュール側の空間の周囲を囲む第３反射板をさらに含んでもよい。これにより、フライアイレンズより外側に照射される光ビームを、フライアイレンズに強制的に入射させることができる。

本発明の別の態様は、光給電システムに関する。光給電システムは、光ビームを放射する光源モジュールと、受光モジュールと、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

本発明のある態様によれば、受光モジュールの性能を改善できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、太陽電池と、それに入射する光ビームの位置関係および光ビームの強度分布（断面プロファイル）を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、複数のセルを含む太陽電池モジュールを示す図である。 実施の形態に係る光給電システムを示す図である。 図３の光給電システムの光路図である。 図５（ａ）～（ｃ）は、ビームの強度分布の均一化を説明する図である。 図６（ａ）～（ｃ）は、ビームの強度分布の均一化の別の例を説明する図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、入射光ビームのオフセットを説明する図である。 図３の受光モジュールに、非ゼロの入射角で入射光ビームが入射したときの様子を示す図である。 第１変形例に係る受光モジュールを示す図である。 図１０（ａ）～（ｃ）は、第１反射板、第２反射板、第３反射板それぞれの機能を説明する図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図３は、実施の形態に係る光給電システム１００を示す図である。光給電システム１００は、光源モジュール２００および受光モジュール３００を備える。

光源モジュール２００は、入射光ビームＬ１を受光モジュール３００に向けて照射する。受光モジュール３００は、光源モジュール２００からの入射光ビームＬ１を受け、電気信号に変換する。光源モジュール２００と受光モジュール３００の位置関係は不定であり、したがって受光モジュール３００に入射する入射光ビームＬ１の位置や入射角は必ずしも理想的であるとは限らない。

受光モジュール３００は、太陽電池３１０および光学系３２０を備える。太陽電池３１０は、光電変換素子であり、入射した光を電気信号に変換する。太陽電池３１０は、単一セルからなってもよいが、好ましくは直列に接続される複数のセルを含むことができる。複数のセルは一列に配置されてそれらが直列接続されてもよいし、二列に配置されて折り返して直列に接続されてもよいし、三列以上に配置されて、それらがミアンダ状に接続されてもよく、その接続は限定されない。

光学系３２０は、太陽電池３１０に入射する入射光ビームＬ１の経路上に設けられ、入射光ビームＬ１を均一化し、太陽電池３１０の受光面３１２全面にわたり照射する。

光学系３２０は、一対のフライアイレンズ３２２，３２４および結像レンズ３２６を含む。フライアイレンズ３２２，３２４はそれぞれ、マトリクス状に配置された複数の平凸型のレンズエレメントＬＥのアレイであり、２枚のフライアイレンズ３２２，３２４は向かい合わせに配置される。なおフライアイレンズの構成はこれに限定されず、両凸側であってもよい。あるいは、レンズ材料内の屈折率分布を制御してレンズ機能を設け、両側平面とした屈折率分布型レンズを用いてもよい。各レンズエレメントＬＥの焦点距離は等しい。

光源モジュール２００側のフライアイレンズ３２２を第１フライアイレンズと称し、太陽電池３１０側のフライアイレンズ３２４を第２フライアイレンズと称して区別する。第１フライアイレンズ３２２と第２フライアイレンズ３２４の間は、ガラスで充填されていてもよく、したがって一対のフライアイレンズ３２２，３２４は一体成形されていてもよい。

第１フライアイレンズ３２２は、光源モジュール２００からの光ビーム（光束）を分割する。第１フライアイレンズ３２２は、複数の２次光源として機能する。第２フライアイレンズ３２４は、第１フライアイレンズ３２２の焦点に配置される。結像レンズ３２６は、第１フライアイレンズ３２２の各レンズエレメントＬＥの像を、太陽電池３１０の受光面３１２上に拡大して結像する。したがって太陽電池３１０の受光面に照射されるビームの形状は、個々のレンズエレメントＬＥの形状によって規定される。このことから個々のレンズエレメントＬＥの形状は、太陽電池３１０の形状と実質的に同一とし、レンズエレメントＬＥの像が、太陽電池３１０全体に拡大投影されるように倍率を定めることで、受光領域全体にわたり、ビームを照射することが可能となり、光の利用効率を高めることができる。本実施の形態では、太陽電池３１０は矩形であるため、矩形のレンズエレメントＬＥを有するフライアイレンズを採用するとよい。もし、太陽電池３１０の受光領域が六角形の場合、六角形のレンズエレメントＬＥを有するフライアイレンズを採用するとよい。

以上が光給電システム１００の構成である。図４は、図３の光給電システム１００の光路図である。ここではＸ断面を示す。第１フライアイレンズ３２２および第２フライアイレンズ３２４それぞれのレンズエレメントＬＥの高さをｈ、焦点距離をｆ、結像レンズ３２６の焦点距離をＦとする。

このとき、受光面３１２上に投影されるビームの幅ΔＸは、式（１）で与えられる。
ΔＸ＝Ｆ／ｆ・ｈ
受光モジュール３００の光学系３２０は、ΔＸが太陽電池３１０の受光面３１２のサイズ（横幅）と実質的に同一となるように設計される。

なお受光モジュール３００は、Ｘ軸とＹ軸に関して異なる光学特性を有するアナモフィックな光学系で構成してもよい。第１フライアイレンズ３２２の各レンズエレメントＬＥに入射する光束のＸ方向の強度分布が均一とみなせるとき、受光面３１２における幅ΔＸ内の強度分布は均一となる。

図５（ａ）～（ｃ）は、ビームの強度分布の均一化を説明する図である。図５（ａ）には、入射光ビームＬ１の強度分布を示す。強度分布は模式的に直線近似で示すが、ガウシアン分布やその他の分布であってもよい。入射光ビームＬ１が、複数のレンズエレメントＬＥ１～ＬＥ４に入射する。図５（ｂ）には、複数のレンズエレメントＬＥ１～ＬＥ４それぞれを通過した光の、受光面３１２上の強度分布を示す。受光面３１２には、これらの４個の光が重ね合わせて照射される。図５（ｃ）は、４個のビームを重ね合わせて得られる受光面３１２上の強度分布である。

図６（ａ）～（ｃ）は、ビームの強度分布の均一化の別の例を説明する図である。図６（ａ）には、入射光ビームＬ１の別の強度分布の例を示す。この例では、強度にムラがあるが、ひとつのレンズエレメントＬＥ内では、強度分布が均一と見なせる。

図６（ｂ）には、複数のレンズエレメントＬＥ１～ＬＥ４それぞれを通過した光の、受光面３１２上の強度分布を示す。受光面３１２には、これらの４個の光が重ね合わせて照射される。図６（ｃ）は、４個のビームを重ね合わせて得られる受光面３１２上の強度分布である。

このように受光モジュール３００によれば、非均一な強度分布を有する入射光ビームＬ１を、均一化して太陽電池３１０の受光面３１２に照射することができる。特に太陽電池３１０が、複数のセルの直列接続である場合には、均一照射によりすべてのセルを有効に発電させることができ、太陽電池３１０の発電能力を最大限に発揮できる。

また、入射光ビームＬ１が不均一でよいため、光源モジュール２００の構造を簡素化でき、したがって光源モジュール２００のコストを下げることができる。

受光モジュール３００によれば、以下で説明するように、入射光ビームＬ１がオフセットして入射した場合にも、均一なビームを太陽電池３１０の受光面３１２に照射できる。図７（ａ）、（ｂ）は、入射光ビームＬ１のオフセットを説明する図である。光源モジュール２００は、複数の光源２０２と、複数のコリメートレンズ２０４を含む。光源２０２は、垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER:VCSEL）をはじめとするレーザ光源であってもよいし、ＬＥＤ（発光ダイオード）など、別の半導体光源であってもよい。あるいは光源は、半導体光源以外の光源、すなわちハロゲンランプや放電管など、その他の種類であってもよい。光源２０２のビームの広がり角がそれほど大きくなければ、コリメートレンズ２０４は省略することができる。

図７（ａ）では、光学系３２０の中央に入射光ビームＬ１が入射している。図７（ｂ）では、光学系３２０の上側に入射光ビームＬ１がオフセットして入射している。いずれの場合であっても、太陽電池３１０の受光面３１２には均一なビームが照射される。

（変形例）
図８は、図３の受光モジュール３００に、非ゼロの入射角で入射光ビームＬ１が入射したときの様子を示す。受光モジュール３００の光学系３２０には、式（２）を満たす入射許容角θが存在する。
ｔａｎθ_ＭＡＸ＝ｈ／２ｆ
そして入射光ビームＬ１の入射角θが入射許容角θ_ｍａｘを超えると、結像レンズ３２６の出射光は、元の照射領域ΔＸから、ΔＸだけＸ方向にシフトした領域ΔＸ’に照射される。領域ΔＸ’は、太陽電池３１０の受光面３１２の外側であるから、図３の受光モジュール３００は、入射角に制約があるといえる。この問題は、第１変形例によって解決される。

図９は、第１変形例に係る受光モジュール３００Ａを示す図である。受光モジュール３００Ａの光学系３２０Ａは、図４の光学系３２０に加えて、第１反射板３３０、第２反射板３３２、第３反射板３３４を備える。

第１反射板３３０は、結像レンズ３２６と太陽電池３１０に挟まれる空間の周囲を覆う。

第２反射板３３２は、第１フライアイレンズ３２２と結像レンズ３２６に挟まれる空間の周囲を覆う。

第３反射板３３４は、第１フライアイレンズ３２２よりも光源モジュール２００側の空間の周囲を囲む。

第１変型例において、第１フライアイレンズ３２２および第２フライアイレンズ３２４の形状、受光領域の形状、レンズエレメントの形状は、実質的に同一であることが好ましい。さらにこれらの形状は、受光モジュール３００に入射する光ビームの形状と実質的に同一であってもよい。

なお実際には、第１反射板３３０～第３反射板３３４は筒状であり、対応する空間を取り囲む複数の反射面を含むが、図９には、２枚の反射面のみが示される。なお、フライアイレンズ等をＮ角形とした場合、第１反射板３３０～第３反射板３３４はそれぞれ、筒を形成するＮ枚の反射面を含みうる。

図１０（ａ）～（ｃ）は、第１反射板３３０、第２反射板３３２、第３反射板３３４それぞれの機能を説明する図である。図１０（ａ）を参照して第１反射板３３０の機能を説明する。上述したように入射光ビームＬ１の入射角θが大きいとき、結像レンズ３２６を通過した光Ｌ２は、領域ΔＸ’に向けて出射される。この光Ｌ２は、第１反射板３３０のひとつの反射面によって折り返され、太陽電池３１０の受光面３１２に照射される。

図１０（ｂ）を参照して第２反射板３３２の機能を説明する。第１フライアイレンズ３２２を通過した光線の一部Ｌ３は、第２フライアイレンズ３２４の範囲外に向かって出射されうる。また第２フライアイレンズ３２４を通過した光線の一部Ｌ４は、結像レンズ３２６の範囲外に向かって出射されうる。第２反射板３３２は、これらの光線の一部Ｌ３を反射して第２フライアイレンズ３２４に入射させることができ、また光線の一部Ｌ４を反射して結像レンズ３２６に入射させることができる。

図１０（ｃ）を参照して第３反射板３３４の機能を説明する。図示しない光源モジュール２００からの入射光ビームＬ１の一部（あるいは全部）Ｌ５は、第１フライアイレンズ３２２から外れて入射されうる。第３反射板３３４を設けることで、この光線Ｌ５を反射し、第１フライアイレンズ３２２に入射させることができる。

このように、第１反射板３３０、第２反射板３３２、第３反射板３３４を設けることで、光の利用効率をさらに高めることができる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００ 光給電システム
２００ 光源モジュール
２０２ 光源
２０４ コリメートレンズ
３００ 受光モジュール
３１０ 太陽電池
３１２ 受光面
３２０ 光学系
３２２ 第１フライアイレンズ
３２４ 第２フライアイレンズ
ＬＥ レンズエレメント
３２６ 結像レンズ
３３０ 第１反射板
３３２ 第２反射板
３３４ 第３反射板
Ｌ１ 入射光ビーム

Claims (6)

1. 光源モジュールから光ビームを受ける受光モジュールであって、
   光電変換素子と、
   前記光電変換素子に入射する前記光ビームの経路上に設けられた一対のフライアイレンズおよび結像レンズと、前記結像レンズと前記光電変換素子に挟まれる空間の周囲を覆う第１反射板と、を含む光学系と、
   を備え、
   前記一対のフライアイレンズの形状、前記フライアイレンズを構成するレンズエレメントの形状および前記光電変換素子の受光領域の形状はＮ角形であり、前記第１反射板は、筒を形成するＮ枚の反射面を含むことを特徴とする受光モジュール。
2. 前記光電変換素子は、直列に接続される複数のセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の受光モジュール。
3. 前記光学系は、前記一対のフライアイレンズの入射面側のレンズと、前記結像レンズに挟まれる空間の周囲を覆う第２反射板をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の受光モジュール。
4. 前記光学系は、前記一対のフライアイレンズの入射面側のレンズよりも前記光源モジュール側の空間の周囲を囲む第３反射板をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の受光モジュール。
5. 前記一対のフライアイレンズの形状、前記フライアイレンズを構成するレンズエレメントの形状および前記光電変換素子の受光領域の形状は、前記光源モジュールからの前記光ビームの形状と実質的に同一であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の受光モジュール。
6. 光ビームを放射する光源モジュールと、
   請求項１から５のいずれかに記載の受光モジュールと、
   を備えることを特徴とする光給電システム。

Images