JP7719683B2 - 受電装置、制御方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を使用した無線送受電技術に関する。

非特許文献１に記載されている、総務省が提唱する空間伝送型ワイヤレス電力送電システムは、無線ＬＡＮ等で使用される２．４ＧＨｚ帯の周波数を使用して送電することによって広範囲な市場への展開が見込まれている。

特許文献１には、無線通信に使用する周波数とは異なる周波数を使用して無線給電を行い、無線通信と無線給電とを同じタイミングで行うことで給電効率を改善する技術が記載されている。

特願２０１９－０９７３０２公報

空間伝送型ワイヤレス電力伝送システム作業班報告書（案）（令和２年５月２０日１６時時点版）

特許文献１は、送電装置と受電装置が１対１のシステムであり、複数の送電装置及び複数の受電装置が存在した場合のシステムについては記載されていない。そして、同一周波数を使用する複数の送電装置の電波が干渉するような場合、キャリアセンスにより他の送電装置が送信する電波を検出すると、同一周波数同士での電波の干渉を回避するために受電装置との通信及び送電装置の送電に待機時間が発生し、送電効率が低下してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、複数の送電装置の電波が干渉するような場合であっても、受電装置との通信及び送電に待機時間を発生させず、高効率で送電を行うことができる技術を実現することである。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、受電装置に無線送電を行う送電装置であって、第１の受電装置と無線通信を行う通信手段と、前記第１の受電装置に送電を行う送電手段と、第２の受電装置に無線送電を行う第２の送電装置を検出する検出手段と、前記第２の送電装置を検出した場合に、前記第２の送電装置と無線通信を行い、前記第２の送電装置と同じタイミングで送電を行うように制御する制御手段と、を有する。

本発明によれば、複数の送電装置の電波が干渉するような場合であっても、受電装置との通信及び送電に待機時間を発生させず、高効率で送電を行うことができる。

本実施形態の送電装置と受電装置の構成を示すブロック図。 本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合の無線通信及び無線送受電の形態を例示する図。 従来の複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合の無線通信及び無線送受電の手順を例示するタイムチャート。 本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合の無線通信及び無線送受電の手順を例示するタイムチャート。 本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合の１つの送電装置の無線通信及び無線送受電の手順を例示するフローチャート。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜課題の説明＞まず、図２及び図３を参照して、複数の送電装置及び複数の受電装置が存在する場合の通信及び送電の課題について、同一周波数を使用する複数の送電装置の電波が干渉するような場合を例に説明する。

図２は、無線通信を行う複数の送電装置及び複数の受電装置が同一空間に存在する場合の通信形態を例示する図である。ここで、同一空間とは、送電装置と受電装置の第１のペアが無線通信を行う搬送波（キャリア）の到達範囲に、送電装置と受電装置の第２のペアが存在することを意味する。図３は、無線通信を行う複数の送電装置及び複数の受電装置が同一空間に存在する場合のペアごとの送電装置と受電装置の通信及び送電の手順を例示するタイムチャートである。

図２において、第１の送電装置１１０と第１の受電装置２１０が第１のペア１１となり、無線通信および無線送受電を行う。同様に、第２の送電装置１２０と第２の受電装置２２０が第２のペア１２となり無線通信および無線送受電を行う。

また、各ペアにおいて送電装置と受電装置が無線通信および無線送受電に使用する周波数帯は、無線ＬＡＮ等で使用される２．４ＧＨｚ帯や５．０ＧＨｚ帯の周波数であり、無線通信と無線送受電で同一の周波数を使用するものとする。

図３において、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しない場合は、第１の送電装置１１０は第１の受電装置２１０と無線通信を行って無線送受電に関する情報のやり取りを行い、無線送受電を行う。第２のペア１２についても同様である。

一方、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在する場合、第２のペア１２が無線通信を開始する前に、第１のペア１１のキャリアを検出し、図３に示すように第１のペア１１が無線送受電を行っている時間は、第２のペア１２は無線通信ができない状態となる。よって、同一空間に他のペアが存在する場合、他のペアのキャリアを検出すると、自分のペアの通信及び送電に待機時間が発生し、送電効率が低下してしまう。

本実施形態は、複数の送電装置の電波が干渉するような場合であっても、受電装置との通信及び送電に待機時間を発生させず、高効率で送電を行うことができるようにする。

＜装置構成＞まず、図１を参照して、本実施形態の送電装置１００及び受電装置２００の構成について説明する。

送電装置１００は、工場や家庭のコンセント等から常時供給される電力により動作可能な充電機器である。送電装置１００は、受電装置２００に電力を無線送電する。

受電装置２００は、送電装置１００から無線送電された電力を受電する電子機器である。受電装置２００は、ユーザが携帯しながら移動可能であり、充電可能な電池を電源とする、デジタルカメラ等の撮像装置、スマートフォン等の携帯電話、タブレットデバイスやモバイルゲーム機等の携帯端末として動作可能である。

受電装置２００は、無線通信機能と無線充電機能とを有している。無線通信方式は、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）である。

＜送電装置１００の構成＞次に、図１（ａ）を参照して、本実施形態の送電装置１００の構成について説明する。

図１（ａ）は、本実施形態の送電装置１００の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明において、外部機器は、例えば受電装置２００であるが、これに限定されるものではない。

制御部１０１は、送電装置１００の各構成要素を制御するためのプログラムを記憶したメモリと、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより送電装置１００の各構成要素を制御するＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサとを有する。

制御部１０１は、後述する送電制御部１０２、無線通信制御部１０４、切替部１０６を制御する。

送電制御部１０２は、無線送電に関する制御を実行し、送電用共振回路１０３及びアンテナ１０７を介して外部機器に電波の送信を行う。

送電用共振回路１０３は、コイル、コンデンサ等の素子を備える回路であり、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）で使用される２．４ＧＨｚ帯や５．０ＧＨｚ帯の周波数で共振するように設計されている。

無線通信制御部１０４は、無線通信に関する制御を実行し、通信用共振回路１０５及びアンテナ１０７を介して外部機器と無線通信を行う。

通信用共振回路１０５は、コイルやコンデンサ等の素子を備える回路であり、送電用共振回路１０３と同様に、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）で使用される２．４ＧＨｚ帯や５．０ＧＨｚ帯の周波数帯で共振するように設計されている。

切替部１０６は、アンテナ１０７の接続先を、送電用共振回路１０３又は通信用共振回路１０５に切り替えるスイッチである。

アンテナ１０７は、アンテナ素子を備え、外部機器との間で電波の送受信を行うことが可能である。また、アンテナ１０７は、電力を電波に変換して受電装置２００に送電可能な構成を備える。

送電装置１００は、切替部１０６によってアンテナ１０７と送電用共振回路１０３とを接続することで、外部機器に対して電波の送信を行うことができる。また、送電装置１００は、切替部１０６によってアンテナ１０７と通信用共振回路１０５とを接続することで、外部機器と無線通信を行うことができる。

移動検出部１０８は、送電装置１００が移動したことを検出し、検出結果を制御部１０１に出力する。

＜受電装置２００の構成＞次に、図１（ｂ）を参照して、本実施形態の受電装置２００の構成について説明する。

図１（ｂ）は、本実施形態の受電装置２００の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明において、外部機器は、例えば送電装置１００であるが、これに限定されるものではない。

制御部２０１は、受電装置２００の各構成要素を制御するためのプログラムを記憶したメモリと、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより受電装置２００の各構成要素を制御するＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサとを有する。

制御部２０１は、後述する充電回路２０６、無線通信制御部２０９、切替部２０３を制御する。

電池２０７は、受電装置２００が動作するための電力を供給する電源である。電池２０７は、例えば、リチウムイオン電池等の充電可能な電池である。電池２０７は、受電装置２００の各構成要素に電力を供給する。

アンテナ２０２は、アンテナ素子を備え、外部機器との間で電波の送受信を行うことが可能である。また、アンテナ２０２は、送電装置１００から電波に変換されて送電される電力を受電可能な構成を備える。

切替部２０３は、アンテナ２０２の接続先を、後述する受電用共振回路２０４又は通信用共振回路２０８に切り替えるスイッチである。

受電用共振回路２０４は、コイル、コンデンサ等の素子を備える回路であり、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）で使用される２．４ＧＨｚ帯や５．０ＧＨｚ帯の周波数で共振するように設計されている。

整流回路２０５は、受電用共振回路２０４から出力される電力の電圧を変換して受電装置２００の各構成要素が動作可能な直流の電圧に整流して後段の充電回路２０６へ出力する。

充電回路２０６は、電池２０７に電力を供給して電池２０７の充電を行う。充電回路２０６は、整流回路２０５から出力される直流電圧を電池２０７を充電するための所定の電圧に変換して、電池２０７に電力を供給する。

通信用共振回路２０８は、コイルやコンデンサ等の素子を備える回路であり、受電用共振回路２０４と同様に、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）で使用される２．４ＧＨｚ帯や５．０ＧＨｚ帯の周波数で共振するように設計されている。

無線通信制御部２０９は、無線通信に関する制御を実行し、通信用共振回路２０８及びアンテナ２０２を介して外部機器と無線通信を行う。

受電装置２００は、切替部２０３によってアンテナ２０２と受電用共振回路２０４とを接続することで、外部機器から電波の受信を行うことができる。また、受電装置２００は、切替部２０３によってアンテナ２０２と通信用共振回路２０８とを接続することで、外部機器と無線通信を行うことができる。

＜制御動作＞次に、図２、図４及び図５を参照して、本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合の無線通信及び無線送受電の動作について説明する。

図２は、本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が同一空間に存在する場合の無線通信及び無線送受電の形態を例示する図である。ここで、第１の送電装置１１０と第１の受電装置２１０、及び、第２の送電装置１２０と第２の受電装置２２０は、すでに無線のペアリングを完了し、無線接続された状態であるものとする。

また、第１の送電装置１１０と第２の送電装置１２０は、すでに無線のペアリングが完了し、接続が可能な状態にあるものとする。

図４は、本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が同一空間に存在する場合の第１のペア１１及び第２のペア１２の無線通信及び無線送受電の手順を例示するタイムチャートである。

図５は、本実施形態の複数の送電装置と複数の受電装置が同一空間に存在する場合の第１の送電装置１１０の無線通信及び無線送受電の手順を例示するフローチャートである。

なお、図５の処理は、第１の送電装置１１０の制御部１０１が、メモリに格納されているプログラムを実行して第１の送電装置１１０の各構成要素を制御することにより実現される。また、以下の説明では、理解の容易化のため、動作主体を制御部１０１ではなく、第１の送電装置１１０として説明する。

ステップＳ５０１では、第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０との接続が完了しているか否かを判定する。本実施形態では、前述した通り、すでに無線のペアリングを完了し、無線接続された状態である。第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０との接続が完了していると判定した場合は、処理をステップＳ５０２に進める。

ステップＳ５０２では、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０から出力されているキャリアが検出されているか否かに基づいて、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在するか否かを判定する。第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０から出力されているキャリアが検出されておらず、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しないと判定した場合は処理をステップＳ５０３に進める。第２の送電装置１２０から出力されているキャリアが検出されず、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しない場合は、図４に示す第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しない場合の無線通信及び無線送受電の動作を実行する。なお、図４に示す第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しない場合の無線通信及び無線送受電の動作は、図３で説明した第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しない場合の無線通信及び無線送受電の動作と同様である。

ステップＳ５０３では、第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０との間で送受電パラメータ１１Ａの通信を実行する。送受電パラメータ１１Ａは、第１の受電装置２１０の電池２０７の残量等から導かれる必要電力情報などである。

ステップＳ５０４では、第１の送電装置１１０は、ステップＳ５０３において受信した送受電パラメータ１１Ａから、第１の受電装置２１０への送電が必要か否かを判定する。第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０への送電が必要であると判定した場合は処理をステップＳ５０５進める。また、第１の送電装置１１０は、電池２０７が満充電である等の理由で、第１の受電装置２１０への送電が必要ではないと判定した場合は処理を終了する。

ステップＳ５０５では、第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０に対して必要な電力を送電する。

ステップＳ５０６では、第１の送電装置１１０は、ステップＳ５０５において送電を開始してから所定の時間が経過した後、送電を停止し、処理をステップＳ５０２に戻す。

ステップＳ５０２において、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０から出力されているキャリアが検出されており、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在すると判定した場合は処理をステップＳ５０７に進める。第２の送電装置１２０から出力されているキャリアが検出され、第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在する場合は、図４に示す第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在する場合の無線通信及び無線送受電の動作を実行する。

ステップＳ５０７では、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０と接続を行う。

ステップＳ５０８では、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０との接続が確立したか否かを判定する。第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０との接続が確立したと判定した場合は処理をステップＳ５０９に進める。第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０との接続が確立していないと判定した場合は処理をステップＳ５０３に進め、図３で説明した第１のペア１１と第２のペア１２が同一空間に存在しない場合の無線通信及び無線送受電の動作を実行する。

ステップＳ５０９では、第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０との間で送受電パラメータ１１Ａの通信を実行する。ここで、送受電パラメータ１１Ａは、ステップＳ５０８より前のタイミング、例えば図４におけるタイミングｔ１の第１のペア１１の無線通信で取得されていてもよい。また、第１の送電装置１１０と第２の送電装置１２０の通信可能範囲を、第１の送電装置１１０の送電範囲よりも広くすることで、第１の送電装置１１０の送電範囲に第２の送電装置１２０が存在する場合は、第１の送電装置１１０と第２の送電装置１２０との通信が確実にできる状態となる。

ステップＳ５１０では、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０と通信を行い、第２のペア１２で通信された送受電パラメータ１２Ａを取得する。ここで送受電パラメータ１２Ａを取得するタイミングは、図４において第２のペア１２が無線通信を行った後のタイミングｔ３に対応する。

ステップＳ５１１では、第１の送電装置１１０は、ステップＳ５０９で第１の受電装置２１０から取得した送受電パラメータ１１と、ステップＳ５１０で第２の送電装置１２０から取得した送受電パラメータ１２から、第１の受電装置２１０及び第２の受電装置２２０への送電が必要か否かを判定する。第１の送電装置１１０は、第１の受電装置２１０及び第２の受電装置２２０への送電が必要であると判定した場合は処理をステップＳ５１２進める。また、第１の送電装置１１０は、電池２０７が満充電である等の理由で、第１の受電装置２１０及び第２の受電装置２２０への送電が必要ではないと判定した場合は処理を終了する。

ステップＳ５１２では、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０との間で送電タイミングの同期を行う。送電タイミングの同期は、一度行えばよいが、同期のタイミングがずれる可能性がある場合は、定期的に同期を実施してもよい。

ステップＳ５１３では、第１の送電装置１１０は、第２の送電装置１２０と同じタイミングで送電を開始する。ここでの送電タイミングは、図４におけるタイミングｔ４から開始される第１のペア１１の無線送電及び第２のペア１２の無線送受電のタイミングに対応する。このように、第１の送電装置１１０と第２の送電装置１２０との間で送電タイミングの同期させることで、第１の送電装置１１０の送電中において第２の送電装置１２０が送電を待機する必要がなく、第１のペア１１及び第２のペア１２のように複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合において高効率な送電を行うことができる。

ステップＳ５１４では、第１の送電装置１１０は、ステップＳ５１３において第２の送電装置１２０と同じタイミングで送電を開始してから所定の時間が経過した後、第２の送電装置１２０と同じタイミングで送電を停止し、処理をステップＳ５０２に戻す。ここで、例えば、第１の送電装置１１０が移動している場合は、第２の送電装置１２０に近づいている可能性が高いため、移動検出部１０８が第１の送電装置１１０が移動したことを検出した場合は、送電時間を短縮して、第２の送電装置１２０をさらに検出しやすくしてもよい。

本実施形態では、複数の送電装置と複数の受電装置が存在する場合として第１のペア１１と第２のペア１２の２つのペアの例を説明したが、これに限らず、３つ以上のペアがある場合であってもよい。

以上のように、本実施形態によれば、複数の送電装置の電波が干渉するような場合であっても、受電装置との通信及び送電に待機時間を発生させず、高効率で送電を行うことができる。

［他の実施形態］
本発明は、各実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワークや記憶媒体を介してシステムや装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータの１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出して実行する処理でも実現可能である。また、本発明は、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００…送電装置、１０１…制御部、１０２…送電制御部、１０３…送電用共振回路、１０４…無線通信制御部、１０５…通信用共振回路、１０６…切替部、１０７…アンテナ、１０８…移動検出部、２００…受電装置

Claims (10)

1. 受電装置に無線送電を行う送電装置であって、
   第１の受電装置と無線通信を行う通信手段と、
   前記第１の受電装置に送電を行う送電手段と、
   第２の受電装置に無線送電を行う第２の送電装置を検出する検出手段と、
   前記第２の送電装置を検出した場合に、前記第２の送電装置と無線通信を行い、前記第２の送電装置と同じタイミングで送電を行うように制御する制御手段と、を有することを特徴とする送電装置。
2. 前記検出手段は、前記第１の受電装置と通信を行うキャリアの到達範囲に存在する前記第２の送電装置と前記第２の受電装置が通信を行うキャリアを検出し、前記第２の送電装置と前記第２の受電装置が通信を行うキャリアを検出した場合に、前記第２の送電装置と無線通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記検出手段が前記第２の送電装置と前記第２の受電装置が通信を行うキャリアを検出していない場合、前記制御手段は、前記第１の受電装置から送受電に関する情報を取得し、当該情報に基づいて送電が必要であるか否かを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の送電装置。
4. 前記検出手段が前記第２の送電装置と前記第２の受電装置が通信を行うキャリアを検出した場合、前記制御手段は、前記第１の受電装置及び前記第２の送電装置から送受電に関する情報を取得し、当該情報に基づいて送電が必要であるか否かを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の送電装置。
5. 前記第１の受電装置と通信を行うキャリアの到達範囲に、複数の前記第２の送電装置と複数の前記第２の受電装置が存在することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の送電装置。
6. 前記制御手段は、前記第２の送電装置と定期的に通信を行い、前記第２の送電装置と同じタイミングで送電の開始及び送電の停止を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の送電装置。
7. 前記第２の送電装置との通信可能範囲は前記送電装置の送電範囲よりも広いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の送電装置。
8. 前記送電装置が移動したことを検出する移動検出手段を更に有し、
   前記制御手段は、前記送電装置が移動した場合は、前記送電装置が移動していない場合よりも送電時間を短くすることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の送電装置。
9. 受電装置に無線送電を行う送電装置の制御方法であって、
   前記送電装置は、
   第１の受電装置と無線通信を行う通信手段と、
   前記第１の受電装置に送電を行う送電手段と、を有し、
   前記制御方法は、
   第２の受電装置に無線送電を行う第２の送電装置を検出するステップと、
   前記第２の送電装置を検出した場合に、前記第２の送電装置と無線通信を行い、前記第２の送電装置と同じタイミングで送電を行うように制御するステップと、を有することを特徴とする制御方法。
10. コンピュータを、請求項１から８のいずれか１項に記載された送電装置の制御手段として機能させるためのプログラム。