JP6802776B2 - 無線給電装置、無線受電端末及び無線給電方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線給電装置、無線受電端末及び無線給電方法に関する。

今日、社会におけるＩｏＴ（Internet Of Things）化が進み、多種多様な小型の無線通信デバイスが普及しつつある。これに伴い、工場内における遠隔監視又はお年寄りや子どもに無線タグを所有させて居場所を把握すると言った様々な低消費電力デバイスが普及しつつある。これに伴い、これらのデバイスに無線で給電する手法が広く開発されてきている。自動的に給電をする手法として、電波を用いて無線で給電する技術が知られている。例えば、給電装置と受電端末との間で通信を行い、電波の到来方法を検出し、給電信号のビームを制御するものがある。この場合、給電装置において受電端末からの信号を受信するタイミングにおいて電波の到来している方向を推定し、その後、推定した方向へと向かって給電用の信号のビームを向ける手法が研究されている。

しかしながら、このような給電装置は、無線通信を介して方向推定をしてから給電を行う。すなわち、無線通信と無線給電をシリアルに行う必要がある。このため、無線給電中に無線通信を行うことが困難であり、無線通信と無線給電の両者を同時に行う場合と比べて効率が悪い。また、到来方向を推定するための位置推定用信号を送る必要があるため、その分だけ余計な時間及び電力を消費する。さらに、通信用のアンテナとは別に給電用のアンテナを具備する必要がある。

特許第４５７２９４９号公報

そこで、本発明の実施形態は、無線通信と、無線給電とを同じタイミングで行うことが可能な無線給電装置を提案する。

一実施形態による無線給電装置は、通信部と、制御部と、を備える。通信部は、第１周波数の電波を介して第１端末へ第１無線通信に係る信号を送信する送信部と、前記第１周波数の電波を介して前記第１端末から前記第１無線通信に係る信号を受信する受信部と、を備える。制御部は、受信した前記第１端末から受信した電波に基づいて、前記第１端末の位置情報を検出し、前記第１端末の位置情報に基づいて、前記第１端末に対する指向性を有する第２周波数の電波のビームパターンを形成する。無線給電装置は、前記送信部及び前記受信部が前記第１周波数の電波を介して前記第１端末と前記第１無線通信を行うとともに、前記送信部が前記第２周波数の電波を介して前記第１端末に無線給電する。

一実施形態に係る無線給電装置を含む無線給電システムの概略を示す図。 一実施形態に係る無線給電装置及び受電端末の機能を示すブロック図。 一実施形態に係る無線給電装置及び受電端末の処理を示すフローチャート。 一実施形態に係る方向推定の一例を示す図。 一実施形態に係る方向推定の一例を示す図。 一実施形態に係る方向推定の一例を示す図。 一実施形態に係る無線通信及び無線給電を概略的に示す図。 一実施形態に係る無線通信及び無線給電を概略的に示す図。 一実施形態に係る無線給電装置の通信、制御の機能を示すブロック図。 一実施形態に係る無線通信及び無線給電のタイミングの一例を示す図。 一実施形態に係る無線給電装置の利用例を示す図。 一実施形態に係る無線通信及び無線給電を概略的に示す図。 一実施形態に係る無線通信及び無線給電のタイミングの一例を示す図。 一実施形態に係る無線通信及び無線給電の処理を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
低消費電力デバイスは、ＩＳＭ（Industrial, Scientific and Medical）帯のように混雑した周波数帯で無線通信を行うことが多い。このため、無線通信と同じ周波数を用いて無線給電を行うと、給電信号が周囲の機器への干渉源となる可能性がある。また、帯域が混雑しているために、給電に係るタイミングの制御も難しく、所望の給電効果が得られないという問題もある。そこで、本実施形態では、無線通信に用いる周波数とは異なる周波数を用いて無線給電を行う無線給電装置について説明する。以下の説明において、位置推定、方向推定及び方位推定の単語をそれぞれ使用しているが、文脈により使い分けているだけであり、本実施形態の説明として実質的に異なるものではない。

図１は、本実施形態に係る無線給電システム１を示す図である。この図１に示すように、無線給電システム１は、無線給電装置１０と、受電端末２０（第１端末）と、を備える。受電端末２０は、無線給電装置１０から無線による給電を受けることにより、内蔵されている蓄電池等に充電をすることが可能である。

無線給電装置１０と、受電端末２０とは、第１周波数１００の電波を用いて無線通信（第１無線通信）をする。無線通信を行う一方で、無線給電装置１０は、第２周波数１０２の電波を用いて受電端末２０へ給電を行う。このように、第１周波数１００により無線通信を行うとともに、第２周波数１０２により無線給電を別々のタイミング、あるいは、同じタイミングにおいて行う。

図２は、無線給電装置１０及び受電端末２０の機能を概略的に示すブロック図である。無線給電装置１０は、通信部１２と、制御部１４と、位置推定部１６と、を備える。

通信部１２は、受信部１２０と、送信部１２２とを備え、無線給電装置１０の無線通信を行う。この通信部１２は、第１周波数で通信を行うアンテナ１８Ａ及び第２周波数で通信を行うアンテナ１８Ｂと接続されていてもよい。使用する周波数帯によっては、アンテナ１８Ａとアンテナ１８Ｂとは同じ構成とし、第１周波数帯及び第２周波数帯に対して共用の１本のアンテナで構成することも可能である。別の例としては、同じ周波数帯であっても、受信部１２０用のアンテナと、送信部１２２用のアンテナとをさらに別々に備えていてもよい。

受信部１２０は、外部から送信された無線信号を受信する。送信部１２２は、外部へと無線信号を送信する。外部へ送信する信号は、給電用の信号を含むものであるとする。なお、以下において、制御部１４及び位置推定部１６は、送信部１２２とは別の構成として説明しているが、位置推定及びビームパターンの形成等、給電に関する信号の生成も、この送信部１２２が行ってもよい。

制御部１４は、無線給電装置１０の制御を行う。制御とは、例えば、信号の送受信及び第２周波数帯を用いて行う受電端末２０への給電のためのビームパターンの形成等を含む。また、アンテナ１８Ａ、１８Ｂと、受信部１２０、送信部１２２とのスイッチング等を制御部１４が行ってもよい。

電波による無線給電は、給電できる電力量が小さくなることが課題となる。例えば、２．４ＧＨｚ帯で給電する場合、給電側から送信された電力は空間で大きく減衰し、伝播距離１ｍで電力レベルが１％以下にまで減少してしまう。このような課題への対策として、送信ビーム制御がある。これは、無線給電を行う無線給電装置１０側で、電波の放射ビームパターンを制御することにより、受電端末２０における受信電力レベルを向上する技術である。受電端末２０に指向性が向くように送信ビームパターンを形成する方法として、２つの手段が例として挙げられる。

第１手段は、無線給電装置１０が受電端末２０の位置又は方向を検知し、その方向に指向性を向けるものである。第２手段は、無線給電装置１０と受電端末２０との間の伝搬路特性を把握し、伝搬路の影響を打ち消すようなビームパターンを形成するものである。無線給電装置１０の制御部１４は、このようなビームパターンの形成の制御を行う。一般に無線通信の伝搬路特性は、使用する周波数帯によって特性が異なるため、第２手段を用いる場合は、無線給電に用いる周波数帯の伝搬路特性を把握する必要がある。本実施形態においては、このような伝搬路特性を把握する必要がないビームパターンを形成する例について説明する。

位置推定部１６は、受電端末２０の位置を推定する。位置の推定は、例えば、受電端末２０がＧＰＳ（Global Positioning System）のような位置検知手段を介して自己の位置情報を取得し、その結果を無線給電装置１０に送信することにより、位置推定部１６が、無線給電装置１０からの受電端末２０の相対的な位置を推定するようにしてもよい。受電端末２０が自己の位置情報を取得できない場合には、無線給電装置１０の受信部１２０が受信した受電端末２０からの無線信号を用いて、受電端末２０の存在する方向を推定する。

一方の受電端末２０は、通信部２２と、制御部２４と、内蔵電池２６と、を備える。

通信部２２は、受信部２２０と、送信部２２２とを備え、受電端末２０の無線通信を行う。この通信部２２は、第１周波数で通信を行うアンテナ２８Ａ及び少なくとも第２周波数の電波の受信を行うアンテナ２８Ｂと接続されていてもよい。無線給電装置１０のアンテナ１８Ａ、１８Ｂと同様に、使用する周波数帯によっては、アンテナ２８Ａとアンテナ２８Ｂとは同じ構成とし、第１周波数帯及び第２周波数帯に対して共用の１本のアンテナで構成することも可能である。

制御部２４は、受電端末２０の制御を行う。受電端末２０としては、様々なデバイスが考えられるが、例えば、センサである場合、当該センサの感知に関する制御を行ってもよい。例えば、ビーコン等の通信デバイスである場合、当該ビーコン等の通信を行う制御を行ってもよい。もちろん、無線給電装置１０と通信を行う通信部２２の制御を行ってもよい。また、受信部２２０が給電信号を受信している場合には、内蔵電池２６を充電する制御を行ってもよい。

内蔵電池２６は、受電端末２０の電力を蓄電する電池である。この内蔵電池２６に充電されている電力を用いて、受電端末２０は、機能を果たす。内蔵電池２６は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池等の充電可能であり、比較的小型化に向いている電池である。上記には限られず、受電端末２０の消費電力に対して十分な電力を蓄えられる電池、あるいはキャパシタであってもよい。

図３は、本実施形態に係る無線給電装置１０及び受電端末２０の処理の流れを示すフローチャートである。

無線給電装置１０と、受電端末２０は、第１周波数帯で通信を行っている（Ｓ１００、Ｓ２００）。例えば、受電端末２０がセンサである場合には、受電端末２０が感知したセンサ情報等を無線給電装置１０へと送信するような通信を行っている。このタイミングにおいて、無線給電装置１０は、第１周波数帯で通信をしながら、受電端末２０の位置推定を行う情報を収集している。

次に、位置推定部１６は、受電端末２０の位置推定を行う（Ｓ１０２）。受電端末２０が位置検知手段を備えている場合には、受信部２２０を介し、位置検知手段が検知した受電端末２０の位置情報を無線給電装置１０へと送信し、無線給電装置１０は、受信した位置情報に基づいて受電端末２０の位置の推定を行う。受電端末２０が位置検知手段を備えていない場合、位置推定は、例えば、以下のような方法で行われる。

図４は、位置推定を行う一例を示す図である。図４においては、無線給電装置１０がアンテナ１８Ａとして、アレーアンテナを備える場合である。このようなアレーアンテナを備えることにより、受電端末２０から送信された電波の到来方向を推定する。

すなわち、無線給電装置１０が備える第１周波数用のアレーアンテナのアンテナ素子間距離をｄとし、方位θからの電波が到来したとすると、ｄ・ｃｏｓ（θ）＝ｃ・ΔＴの式が成り立つ。ここで、ｃは光速であり、ΔＴはアンテナ素子間での受信時間差である。アンテナ素子間の受信信号の位相差をΔΨとおくと、ΔΨ＝２π・ｆ・ΔＴの式が成り立つ。ここで、ｆは受信した信号の周波数である。これらの式より、受電端末２０からの第１周波数の電波の到来する方向θは、θ＝Ａｒｃｃｏｓ（ｃ・ΔＴ／ｄ）＝Ａｒｃｃｏｓ（ｆ・λ・ΔＴ／ｄ）＝Ａｒｃｃｏｓ（λ・ΔΨ／（２π・ｄ））となる。ここで、λは到来信号の波長を表し、Ａｒｃｃｏｓ（・）は逆余弦関数の主値を表す関数である。

信号の周波数が単一、すなわち、電波がＣＷ（Continuous Wave）である場合は、波長は周波数から一意に求めることができる。一方、変調された信号の場合、信号の帯域幅が広いほど、取り得る波長が拡がり、上記の式で算出される到来方向も広がりを持つこととなる。このことから、方向の推定精度を向上させるためには、狭い帯域幅の信号を用いることが好ましい。また、上記の式より、方向推定の処理に必要となる情報は、信号の波長、位相差及びアンテナ素子間の距離となる。すなわち、このような推定を行う場合、方向推定のために特別な信号を送る必要がなく、通常の無線通信における受信信号の位相差を利用して副次的に方向を推定することが可能である。

図５は、位置推定を行う別の例を示す図である。図５の例においては、無線給電装置１０は、アンテナとして、指向性可変アンテナを備えている。この場合、無線給電装置１０は、電子的又は機械的にアンテナの指向性を切り替えることが可能である。例えば、図に示すように、指向性１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄのように、異なる方向から発信された電波に対応した指向性を有するアンテナで信号を受信する。

そして、特性のよい指向性に対応した方向に、受電端末２０が存在すると判断する。ここで、特性とは、受信感度、受信電力、又は、他の通信特性を意味する。例えば、第１周波数に対する指向性アンテナを備えておくことにより、受電端末２０から送信された第１周波数の電波に対して、その方向を検出することが可能となる。なお、方向は、図に示されている方向だけではなく、様々な方向に変化させることが可能である。

図６は、位置推定を行うさらに別の例を示す図である。図６の例においては、受電端末２０が複数のアンテナを有し、無線給電装置１０が単一のアンテナを備えている。このような場合、以下のように電波が放射された方向θを推定することが可能である。

受電端末２０は、第１周波数を送受信する複数のアンテナ２８０Ａ、２８０Ｂを備え、アンテナ切り替えスイッチ２８０ＳＷをさらに備える。受電端末２０は、既知のタイミングで第１周波数の電波を送信するアンテナを切り替える。無線給電装置１０は、各アンテナ素子からの信号を順番に受信し、電波の放射方向θを算出する。ここで、無線給電装置１０は、アンテナ素子間の距離ｄ及びそれぞれの素子からの信号の送信間隔の情報を有しているものとする。

この場合に、ｄ・ｓｉｎ（θ）＝ｃ・ΔＴ’という関係式が成り立つ。ここで、ΔＴ’は、アンテナ２８０Ａからの信号と、アンテナ２８０Ｂからの信号の伝搬時間差である。アンテナ２８０Ａからの信号と、アンテナ２８０Ｂからの信号の位相差をΔΨ’とすると、ΔΨ’＝２π・ｆ・ΔＴ’という関係式が成り立つ。

これらの２つの式から、θ＝Ａｒｃｓｉｎ（ｃ・ΔＴ’／ｄ）＝Ａｒｃｓｉｎ（ｆ・λ・ΔＴ’／ｄ）＝Ａｒｃｓｉｎ（λ・ΔΨ’／（２π・ｄ））と算出できる。ここで、Ａｒｃｓｉｎは、逆正弦関数の主値をとるものとする。

以上のような手段により、無線給電装置１０は、受電端末２０の方向を推定することが可能である。このように、位置情報の推定は、受電端末２０の位置そのものを、受電端末２０に搭載されている位置情報検出デバイス等の出力結果から推定するものであってもよいし、無線給電装置１０からの受電端末２０の方向を推定するものであってもよい。すなわち、無線給電装置１０から、適切に受電端末２０へと給電信号が送信できるような受電端末２０の位置に関する情報であれば構わない。

図３に戻り、次に、無線給電装置１０は、位置推定が完了したか否かを判断する（Ｓ１０４）。位置推定が完了していない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、例えば、図４においては位相差ΔΨが測定できるまで、図５においては特性のよい方向を見つけるまで、図６においては位相差ΔΨ’が測定できるまでは通信が行われ、位置推定処理が行われる。

一方、位置推定が完了した場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、制御部１４は、ビームパターンの形成を行う（Ｓ１０６）。このビームパターンは、第２周波数による電波により形成され、推定された方向に向けて指向性を有するように生成される。

そして、無線給電装置１０の送信部１２２は、制御部１４により形成されたビームパターンにしたがった第２周波数の電波を受電端末２０へと向けて発信することにより、受電端末２０へと給電を行う（Ｓ１０８）。この制御は、機械的又は電子的手段により行われる。

無線給電装置１０からの第２周波数の電波を受信した受電端末２０の受信部２２０は、制御部２４により、内蔵電池２６が充電されるように制御される（Ｓ２０２）。なお、図３のフローチャートにおいては、第１周波数による通信は、最初のステップで行われているがこれには限られず、常時通信、又は、必要な頻度に応じて通信を行っていてもよい。この通信を行っている間に、給電を行う場合に、このフローチャートにある処理を行う。

図７は、このような無線通信と無線給電とを同じタイミングで行っている様子を示す図である。無線給電装置１０は、給電をするタイミングの前に、無線給電装置１０に対する受電端末２０の位置（方向）を推定する。この位置推定は、上述したように、第１周波数１００の電波を用いて行う。

位置推定がされた後、無線給電装置１０は、受電端末２０と第１周波数１００の電波で無線通信をするのと併せて、第２周波数１０２の指向性を持ったビームパターンによる電波により、受電端末２０へと給電を行う。受電端末２０は、第１周波数１００の電波で無線通信するのと同じタイミングで、第２周波数１０２の電波により受電し、内蔵電池２６の充電をすることが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、無線通信を行う第１周波数と、無線給電を行う第２周波数とが異なる周波数であるため、無線通信を行いながら無線給電を行うことが可能となる。また、周波数が異なるため、無線給電による電波が無線通信への干渉の原因となることを軽減することができる。さらに、無線通信を利用して受電端末２０の方向を推定し、その方向に対して指向性を有する無線給電を行うため、給電効率を高めることも可能となる。

（第２実施形態）
前述した第１実施形態においては、無線給電装置１０は、受電端末２０とのみ通信をしていることを説明したが、これには限られない。例えば、無線給電装置１０は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の基地局として動作していてもよく、この場合、受電端末２０のみと通信をしているわけではない。本実施形態では、複数の端末と通信を行う無線給電装置１０について説明する。

図８は、本実施形態に係る無線給電装置１０と受電端末２０との通信を示す図である。前述したように、無線給電装置１０と受電端末２０とは、第１周波数１００の電波を用いて無線通信をするとともに、第２周波数１０２の電波を用いて、給電及び受電を行う。本実施形態においては、第２周波数１０２の電波を用いて、他の通信端末３０、３２（第２端末）等と第２無線通信をしながら、前述した実施形態における無線給電を行おうとするものである。

この図８においては、通信端末は、通信端末３０及び通信端末３２の２台であるが、これは一例として挙げたものであり、通信相手となる端末は、１台であってもよいし、３台以上の複数台であってもよい。また、受電端末２０との無線通信及び各通信端末３０、３２との無線通信は、同時に行われるものであってもよいし、順番に行われるものであってもよい。

図９は、本実施形態に係る無線給電装置１０について、図２に示した無線給電装置１０の通信部１２及び制御部１４の機能を示すブロック図である。図２に示すように、通信部１２は、受信部１２０及び送信部１２２を備えるが、図９に示すようにこれらの受信部１２０及び送信部１２２は、第１受信部１２０Ａ、第２受信部１２０Ｂ、第１送信部１２２Ａ、第２送信部１２２Ｂに分けられる。さらに、アンテナとこれらの送受信部との接続を切り替える第１スイッチ（ＳＷ）１２４Ａと、第２スイッチ１２４Ｂと、を備える。

第１受信部１２０Ａ、第１送信部１２２Ａ、第２受信部１２０Ｂ、第２送信部１２２Ｂは、それぞれ制御部１４に接続され、制御部１４がこれらの制御を行う。例えば、第１周波数１００の電波を用いて受電端末２０と通信を行う場合、制御部１４が第１受信部１２０Ａ及び第１送信部１２２Ａを制御することにより通信が行われる。第１スイッチ１２４Ａは、外部から第１受信部１２０Ａへの通信及び第１送信部１２２Ａから外部への通信を受信し、アンテナ１８Ａを適切に切り替える。第２受信部１２０Ｂ、第２送信部１２２Ｂ、第２スイッチ１２４Ｂ、アンテナ１８Ｂについても同様に通信が行われる。

このように制御部１４が制御することにより、無線給電装置１０は、図８に示すように、第２周波数１０２を用いて受電端末２０へ無線給電を行い、通信端末３０、３２と無線通信（第２無線通信）を行うとともに、第１周波数１００を用いて受電端末２０と無線通信を行う。なお、制御部１４が制御をするとしているが、通信部１２内に通信用のコントローラを備え、当該コントローラが通信部１２に係る制御を行うようにしてもよい。

アンテナ１８Ａ及びアンテナ１８Ｂは、単一のアンテナとして図示されているがこれには限られず、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナであってもよい。前述のいずれかの位置推定を行う場合には、当該位置推定に合わせたアンテナの構成としてもよい。

図１０は、本実施形態に係る無線通信及び無線給電のタイミングを示す図である。この図１０において、白い矢印は、第１周波数１００における無線通信を表し、斜線の入った矢印は、第２周波数１０２における無線給電又は無線通信を表す。

無線給電装置１０は、受電端末２０との間で第１周波数１００を介した無線通信を行い、受電端末２０の位置又は方向情報を推定する。一方で、無線給電装置１０は、通信端末３０Ａ、３０Ｂとの間で第２周波数１０２を介した無線通信を行う。無線給電装置１０は、通信端末３０Ａ、３０Ｂとの間のトラフィックや電波環境に応じて、各端末との通信量や通信タイミングを制御する。各端末との通信は、シリアルに行ってもよいし、同時に多重通信を行ってもよいし、又は、ブロードキャストによる通信を行ってもよい。

無線給電装置１０は、通信端末３０Ａ、３０Ｂとの間で無線通信を行いつつ、その空き時間に受電端末２０に対して第２周波数１０２の電波で無線給電を行う。この場合、第１周波数１００での無線通信を介して推定された位置情報に基づき、受電端末２０に指向性を向けて無線給電を行う。このような処理により、周波数利用効率の優れた無線通信及び無線給電システムを実現することが可能となる。すなわち、受電端末２０との間の無線通信を妨害することなく、受電端末２０へ指向性を向けた高効率の無線給電を行うことが可能となる。

さらに、通信端末３０Ａ、３０Ｂとの無線通信を行いつつ、受電端末２０への給電タイミングをスケジューリングすることにより、第２周波数を介した無線通信及び無線給電を効率よく行うことができる。無線通信と無線給電の時間は、完全に分離している必要は無く、無線給電装置１０は、受電端末２０に無線給電をしつつ、通信端末３０Ａ、３０Ｂと無線通信を同じタイミングで行ってもよい。

この場合、より具体的な状況として、無線給電装置１０と受電端末２０との間の第１周波数１００を介した無線通信は、第２周波数１０２を介した無線通信よりも低消費電力かつ狭帯域の無線通信であることが望ましい。電波を用いた無線給電においては、給電可能な電力量が限られたものであるため、低消費電力なデバイスほど相対的に恩恵を受けやすくなり、また、無線通信を行う周波数の帯域幅が狭いほど、方位推定の分解能が向上するという利点があるためである。他方、第２周波数１０２を介した通信は、方位推定を行うことなく無線給電を行うため、第１周波数１００を介した通信よりも相対的に大電力な通信であることが望ましい。

一例として、第１周波数１００は、２．４ＧＨｚ帯の周波数帯であり、第２周波数１０２は、５ＧＨｚ帯の周波数帯であってもよい。２．４ＧＨｚ帯は、ＩＳＭ帯として、世界各国で共通して使用可能であり、数多くの低消費電力デバイスが対応している。低消費電力デバイス向けの周波数帯としては、９００ＭＨｚ帯等のさらに低い周波数帯も考えられるが、その場合、方位推定のためのアンテナサイズが大きくなるため、方位推定を行う場合は、２．４ＧＨｚ帯の方がより適している。一方、５ＧＨｚ帯は、現状、２．４ＧＨｚ帯ほど混雑をしていないため、広い帯域が利用可能であり、他の通信機器への干渉も比較的少ないという利点がある。受電端末２０の無線通信の受信処理、及び、無線給電の受電処理を考慮した場合、２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯であれば、アンテナを共用することも可能である。

通信方式の例としては、２．４ＧＨｚ帯は、ＢＬＥ（Bluetooth Low Energy：登録商標）、５ＧＨｚ帯は、無線ＬＡＮ、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）を用いた通信を利用することが考えられる。ＢＬＥは、低消費電力デバイス向けの無線通信として広く普及している。帯域幅は１ＭＨｚであり、高精度な方位推定を行うことが可能である。

さらに、ＢＬＥの技術使用を含む標準規格Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ５．０では、ＢＬＥによる方位推定機能が規定されている。一方、無線ＬＡＮはＢＬＥ以上に広く普及した無線通信であり、その標準仕様として複数のアンテナを用いたビームフォーミング技術が規定されている。そのため、特定方向への指向性制御も容易に実現することが可能である。

一方、Ｗｉ−Ｆｉの規格では、複数のアンテナを用いたＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）方式が規定されているため、特定のビームパターンを形成することが容易である。そこで、本実施形態においては、第１周波数１００を用いる第１無線通信としてＢＬＥを用い、第２周波数１０２を用いる第２無線通信としてＷｉ−Ｆｉを用いることにより、給電対象の受電端末２０の位置を正確に推定しつつ、効率的なビームパターンの形成により無線給電を行うことが可能となる。

上述は、一例としての記載であり、これに限られるものではない。将来的により帯域の制限が変更された場合には、上記以外にもより適した周波数帯を用いたより適した通信方式の無線通信、無線給電を行うことも可能である。

図１１は、ＢＬＥ及び無線ＬＡＮの両方に対応した無線給電装置１０の利用例である。無線給電装置１０の例として、工場内の情報収集端末を想定している。工場内の機器をモニタリングするセンサ２００、２０２は、センシング結果をＢＬＥで無線給電装置１０へと送信する。一方で、無線給電装置１０は、工場内の作業者３４、監視カメラ３６等との間で無線ＬＡＮによる大容量通信も行う。無線給電装置１０は、ＢＬＥによる通信を介して、センサ２００、２０２の位置、方位を推定し、その方向へと向かって無線ＬＡＮベースで無線給電を行う。無線ＬＡＮによる通信はパケット通信であり、間欠的に行われる。無線給電装置１０は、作業者３４又は監視カメラ３６とのトラフィックを考慮しつつ、各センサ２００、２０２への無線給電のタイミングをスケジューリングすることにより、無線通信と無線給電との両方を効率よく両立して実現することができる。

以上のように、本実施形態によれば、第１周波数１００を介して受電端末２０と無線通信をしつつ、第２周波数１０２を介して受電端末２０へ給電するとともに他の通信端末３０、３２と無線通信を行う無線給電装置１０を実現することが可能となる。

センサ２００、２０２のように、受電端末２０は、比較的消費電力の小さいデバイスである。一方で、第２周波数１０２を介して無線通信を行う通信端末３０は、例えば、作業者３４が所持しているタブレットや品質管理用の通信端末であってもよく、これらは無線給電を行う必要が無いので、消費電力は受電端末２０に比べて大きなものであってもよい。無線給電装置１０を用いることにより、このように、消費電力の小さいセンサ等であって、充電がしづらく、かつ、充電が切れることが望ましくない端末に対して、無線給電を行うことが可能となる。

なお、本実施形態において、第１周波数１００と第２周波数１０２の周波数帯及び消費電力について記載したが、これは、前述した第１実施形態についても同様のことが言える。すなわち、第１実施形態においても、第１周波数１００を２．４ＧＨｚ帯に属する周波数とし、第２周波数１０２を５ＧＨｚ帯に属する周波数とすることにより、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。

（第３実施形態）
前述した第２実施形態では、受電端末２０及び通信端末３０、３２の位置関係に依存せずに無線通信及び無線給電をするものであったが、本実施形態においては、受電端末と通信端末との位置に応じ、効率よく無線通信と無線給電とを行うとするものである。

図１２は、本実施形態に係る無線通信及び無線給電の利用例を示す図である。無線給電装置１０は、受電端末２０の位置を推定するとともに、受電端末２０の近傍、又は、同じ方向に存在する通信端末を識別する機能をさらに備える。この場合、受電端末２０以外に無線通信を行う端末としては、通信端末３０Ａと、通信端末３０Ｂとが存在する。

例えば、受電端末２０と通信端末３０Ａが近傍にあるとする。無線給電装置１０は、通信端末３０Ａと第２周波数１０２の電波を介して無線通信をするとともに、受電端末２０に無線給電を同じ電波を介して行う。すなわち、前述した第２実施形態とは異なり、無線給電装置１０は、同一の電波を介し、一方では受電端末２０へと無線給電をし、他方では通信端末３０Ａと無線通信を行う。

図１３は、本実施形態に係る無線通信及び無線給電のタイミングを示す図である。白い矢印及び斜線の入った矢印の意味は、図１０と同様である。無線給電装置１０は、第１周波数１００の電波を介して受電端末２０の位置を推定し、続いて、第２周波数１０２の電波を介して通信端末３０Ａ、３０Ｂと無線通信を行うとともに、通信端末３０Ａ、３０Ｂの位置推定を行う。ここで、図１２に示すように、受電端末２０と通信端末３０Ａが近傍にあったとする。

この場合、無線給電装置１０は、受電端末２０、通信端末３０Ａ、３０Ｂの位置推定結果に基づいて、受電端末２０への無線給電と、通信端末３０Ａとの通信とを同じビームを用いて行う。図１３中、破線で囲った第２周波数１０２の電波を介した無線給電及び無線通信は、同じビームで行っていることを示す。

以上のように、本実施形態によれば、無線給電装置１０は、受電端末２０への無線給電と、近傍にある通信端末との無線通信とを同じビームを用いて行うことが可能となり、電波の利用効率、すなわち、周波数利用効率を向上させることが可能となる。受電端末２０の近傍に通信端末が存在しない場合には、前述した第２実施形態と同様の動作を行えばよい。

なお、図１０においても、受電端末２０への無線給電と、通信端末３０Ｂとの無線通信とを同じタイミングで行っている様子が示されているが、これは、別々のビームを用いているものであって、本実施形態に係る無線通信及び無線給電とは異なるものである。

（第４実施形態）
本実施形態においては、受電端末２０が自らの電力が不足しているか否かを判断し、無線給電装置１０へと給電要求を行う無線給電システムについて説明する。

受電端末２０は、自らが備えているバッテリーの残量、又は、受電量に基づいて給電要求信号を出すか否かを判断する。給電要求信号の内容は、給電要求の有無を示す１ビットの情報であってもよいし、バッテリーの残量を示す情報であってもよい。又は、給電を望む場合のみ、無線通信のフォーマットを変更するようにしてもよい。例えば、無線通信としてＢＬＥを用いて第１周波数１００で通信をする場合、給電が必要なときには、方向推定用に規定されているＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌフィールドを含むパケットを送信し、給電が不要な場合には、Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌフィールドを含まないパケットを送信するといった通信を行ってもよい。

図１４は、本実施形態における無線給電システムの処理を示すフローチャートである。受電端末２０は、第１周波数１００を介して無線給電装置１０と無線通信を行っている。無線給電装置１０は、任意のタイミングにおいて、第１周波数１００を介して受電端末２０の位置の推定を前述の各実施例のように行っているものとする。

受電端末２０は、所定のタイミングで電力が不足しているか否かを判断する（Ｓ３００）。電力が不足していない場合、引き続き、無線給電装置１０と第１周波数１００を介した無線通信を続行する。

一方で、電力が不足していると判断した場合（Ｓ３００：Ｙｅｓ）、受電端末２０は、無線給電装置１０へと給電する旨のリクエスト信号を発信する（Ｓ３０２）。このリクエスト信号は、上述したように、第１周波数１００の電波を介して行う。給電リクエストを発信しているのにも拘わらず給電がされない場合には、給電リクエストの発信の頻度を増加させるなどしてもよい。なお、給電リクエストではなく、上述したバッテリー残量等により受電端末２０の給電状況を把握する場合には、Ｓ３００を省略し、所定のタイミングでＳ３０２の処理としてバッテリー残量を無線給電装置１０へと送信してもよい。

給電リクエストを受信した無線給電装置１０は、給電の優先度が他の処理の優先度よりも高いか否かを判断する（Ｓ４００）。他の処理とは、例えば、他の通信端末３０との第２周波数を介した無線通信等の処理のことである。なお、受電端末２０が自らのバッテリー残量等の情報を送信している場合、このバッテリー残量等の情報に基づいて優先度を決めるようにしてもよい。給電リクエストを発信している場合には、予め決められた給電リクエストの優先度を用いてもよいし、給電リクエストが発信される単位時間あたりの頻度等の情報に基づいて優先度を決定するようにしてもよい。

給電の優先度よりも、例えば、通信端末３０との無線通信の優先度が高い場合（Ｓ４００：Ｎｏ）には、無線給電装置１０は、まず、通信端末３０との通信を行う（Ｓ４０２）。

通信端末３０との通信後、あるいは、給電の優先度の方が他の処理よりも優先度が高い場合（Ｓ４００：Ｙｅｓ）、無線給電装置１０は、第２周波数１０２を介して受電端末２０へと無線給電を行う（Ｓ４０４）。このように、受電端末２０から何かしらの給電に関する情報を取得して、無線給電装置１０が無線給電を行うようにしてもよい。

上述の給電のタイミングは、無線給電装置１０により給電リクエストによって通知される情報、及び、通信端末３０とのデータトラフィックに基づいて無線給電のタイミングを制御されてもよい。例えば、受電端末２０のバッテリーが枯渇しそうであると判断した場合には、優先的に無線給電を行い、そうで無い場合には、通信端末３０との無線通信をした後に受電端末２０に対して無線給電を行う。

以上のように、本実施形態によれば、無線給電と無線通信等の他の処理との間の公平性を考慮しながら無線給電を行うタイミングを決定することにより、受電端末２０のバッテリーを枯渇させることなく、他の処理、例えば、他の通信端末３０からの通信要求にも最大限に対応することが可能となる。

これらの実施形態によれば、小型かつ低消費電力であることが求められる低消費電力デバイスに対して、そのバッテリー寿命を延ばす手段、又は、バッテリーレス駆動を実現手段として無線給電装置１０を用いることが可能となる。

なお、本実施形態の無線給電装置１０の構成要素は、プロセッサなどを実装しているＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）などの専用のハードウェアにより実現されてもよい。例えば、無線給電装置１０は、受信部１２０を実現する受信回路と、送信部１２２を実現する送信回路と、制御部１４を実現する制御（処理）回路と、を備えていてもよい。制御部１４の内部構成も、専用の回路で実現されてもよい。あるいは、構成要素がソフトウェア（プログラム）を用いて実現されてもよい。ソフトウェア（プログラム）を用いる場合は、上記に説明した実施形態は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用い、コンピュータ装置に搭載された中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）等のプロセッサにプログラムを実行させることにより、実現することが可能である。機能の一部をソフトウェアで構成する場合には、無線給電システム１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。

また、無線給電システム１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

本実施形態で用いられる用語は、広く解釈されるべきである。例えば用語“プロセッサ”は、汎用目的プロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、コントローラ、マイクロコントローラ、状態マシンなどを包含してもよい。状況によって、“プロセッサ”は、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）などを指してもよい。“プロセッサ”は、複数のマイクロプロセッサのような処理装置の組み合わせ、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサの組み合わせ、ＤＳＰコアと協働する１つ以上のマイクロプロセッサを指してもよい。

別の例として、用語“メモリ”は、電子情報を格納可能な任意の電子部品を包含してもよい。“メモリ”は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、フラッシュメモリ、磁気または光学データストレージを指してもよく、これらはプロセッサによって読み出し可能である。プロセッサがメモリに対して情報を読み出しまたは書き込みまたはこれらの両方を行うならば、メモリはプロセッサと電気的に通信すると言うことができる。メモリは、プロセッサに統合されてもよく、この場合も、メモリは、プロセッサと電気的に通信していると言うことができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０：無線給電装置、１２：通信部、１２０：受信部、１２２：送信部、１４：制御部、１６：位置推定部、１８Ａ、１８Ｂ：アンテナ、２０：受電端末、２２：通信部、２２０：受信部、２２２：送信部、２４：制御部、２６：内蔵電池、２８Ａ、２８Ｂ：アンテナ、３０、３２：通信端末

Claims (9)

1. 第１周波数帯の電波を介して第１端末へ無線通信に係る第１無線信号を送信する、送信部と、
   前記第１周波数帯を介して前記第１端末から無線通信に係る第２無線信号を受信する、受信部と、
   受信した前記第２無線信号に基づいて検出される前記第１端末の第１位置情報に基づいて、前記第１端末に対する指向性を有する前記第１周波数帯とは異なる第２周波数帯の電波のビームパターンを形成する、制御部と、
   を備え、
   前記送信部はさらに、
   前記第１端末との無線通信を行う間の少なくとも一期間において、前記第２周波数帯の電波を介して前記第１端末に無線給電可能であり、
   前記第２周波数帯の少なくとも一部を用いて、前記第１端末とは異なる第２端末に無線通信に係る第３無線信号を送信する、
   無線給電装置。
2. 前記送信部はさらに、前記第２周波数帯の周波数帯域幅を、前記第１周波数帯の周波数帯域幅よりも広くして無線通信を行う、請求項１に記載の無線給電装置。
3. 前記第１端末の消費電力は、前記第２端末の消費電力よりも小さい、請求項１又は請求項２に記載の無線給電装置。
4. 前記送信部は、前記第１無線信号による無線通信をＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）を用いて行い、前記第２無線信号による無線通信をＷｉ−Ｆｉを用いて行う、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線給電装置。
5. 前記制御部は、前記第１端末からの給電要求信号と、前記第２端末との通信データトラフィックと、に基づいて給電するタイミングを制御する、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無線給電装置。
6. 前記送信部及び前記受信部の少なくとも一方と接続される、少なくとも１つのアンテナをさらに備える請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の無線給電装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の無線給電装置と無線通信を行うとともに、前記無線給電装置からの給電信号を受電する、無線受電端末。
8. 第１周波数帯の電波を介して第１端末と第１無線通信を行い、第２周波数帯の電波を介して第２端末と第２無線通信を行うとともに、
   前記第１無線通信を介して前記第１端末の位置情報を検出し、
   検出した前記位置情報に基づいて、前記第１端末に対する指向性を有する前記第２周波数帯を介して前記第１端末に給電する、
   無線給電方法。
9. 第１周波数帯の電波を介して第１端末へ無線通信にかかる第１無線信号を送信し、
   前記第１周波数帯を介して前記第１端末から無線通信に係る第２無線信号を受信し、
   前記第１周波数帯とは異なる第２周波数帯を介して前記第１端末とは異なる第２端末と無線通信を行い、
   受信した前記第２無線信号に基づいて前記第１端末の位置情報を検出し、
   検出した前記第１端末の位置情報に基づいて、前記第１端末に対する指向性を有する前記第２周波数帯の電波のビームパターンを形成し、
   前記第１端末との無線通信を行う間の少なくとも一期間において、前記第２周波数帯の電波のビームパターンを介して前記第１端末に無線給電する、
   無線給電方法。

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