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(In Japanese)光無線給電装置および光無線給電移動体

Patent code P210017481
File No. S2019-0585-N0
Posted date Mar 15, 2021
Application number P2019-143540
Publication number P2021-027683A
Date of filing Aug 5, 2019
Date of publication of application Feb 22, 2021
Inventor
  • (In Japanese)石橋 晃
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人北海道大学
Title (In Japanese)光無線給電装置および光無線給電移動体
Abstract (In Japanese)
【課題】
 空中、水中(特に海中)、宇宙空間あるいは月面などに滞在するドローンなどの各種の移動体にレーザービームなどの光ビームによる光無線給電により安定的かつ効率的に電力を供給することができる光無線給電装置および光無線給移動体を提供する。
【解決手段】
 光無線給電装置は、複数の反射鏡11が透明層12を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイ11と、反射鏡アレイ11の他方の主面に設けられ、外部より反射鏡アレイ11の一方の主面に入射して反射鏡11で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路20と、非対称面状光導波路20の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部30とを有する。この光無線給電装置を小型無人機などの移動体に設置して光無線給電移動体とする。
【選択図】
 図1
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、空中、水中(特に海中)、宇宙空間に滞在中のドローンや衛星などへの電力供給などにおいて、光無線給電はますますその重要性が高まってきている。従来、このようなドローンなどへの光無線給電は、マイクロ波を用いたり、或いはドローンなどの本体の外面に太陽電池を設置し、この太陽電池に対してレーザービームを照射したりすることにより発電(光電変換)を行うのが一般的である(例えば、非特許文献1、2参照)。

また、小型のUAV(Unmanned Aerial Vehicle)やUGV(Unmanned Ground Vehicle)がオーダーにして10mから1kmの距離で10Wから1000Wのパワー伝送を必要とするのに対し、今後は、大型のUAVや災害時の探査・救助装置、地上から宇宙空間の衛星へのパワー供給など数kWから100kW級のパワー伝送も必要とされてくる。また5Gなどの次世代通信のインフラとして低高度衛星を数千機オーダー打ち上げ、それら衛星間のパワー伝送や情報伝送も今後益々重要となってくる。

Field of industrial application (In Japanese)

この発明は、光無線給電装置および光無線給電移動体に関し、例えば、空中を移動する小型無人機や無人航空機、水中特に海水中を移動する小型無人機などの移動体、更には、月面で活動する探査車(ローバー)などの移動体に光無線により給電を行うのに適用して好適な光無線給電装置および光無線給電移動体に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
受光部と、
上記受光部と空間的に分離して設けられた光電変換素子からなる発電部と、
上記受光部と上記発電部とを結び且つ光の進行方向を変換する機能を有する空間的に非対称な導波路とを有し、
上記発電部は上記導波路の光出射側の端部に設けられている光無線給電装置。

【請求項2】
 
上記発電部を構成する上記光電変換素子の、上記導波路の上記光出射側の端部に面する表面の反射率が5%以下である請求項1記載の光無線給電装置。

【請求項3】
 
複数の反射鏡が透明層を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイと、
上記反射鏡アレイの上記他方の主面に設けられ、外部より上記反射鏡アレイの上記一方の主面に入射して上記反射鏡で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路と、
上記非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部と、
を有する光無線給電装置。

【請求項4】
 
上記非対称面状光導波路は上記光出射側の端面に向かって断面積が徐々に増加する楔状の形状を有する請求項3記載の光無線給電装置。

【請求項5】
 
上記反射鏡の断面が上記他方の主面の側に頂点を有する放物線状の形状を有する請求項3または4記載の光無線給電装置。

【請求項6】
 
上記放物線の軸は上記他方の主面にほぼ垂直である請求項5記載の光無線給電装置。

【請求項7】
 
上記反射鏡と上記非対称面状光導波路との幾何学的交点は直線状または上記非対称面状光導波路の上記光出射側の端面上の1点を中心とする同心円弧状の形状を有する請求項3~6のいずれか一項記載の光無線給電装置。

【請求項8】
 
上記反射鏡アレイの上記一方の主面にさらに光波進行方向変換層が設けられ、上記放物線の軸は、上記光波進行方向変換層による進行方向変換後の方向に平行である請求項9記載の光無線給電装置。

【請求項9】
 
上記発電部は光電変換用の半導体層を有する請求項3~8のいずれか一項記載の光無線給電装置。

【請求項10】
 
上記半導体層の互いに対向する第1の面および第2の面にそれぞれ第1の電極および第2の電極が設けられていることを特徴とする請求項9記載の光無線給電装置。

【請求項11】
 
上記半導体層はp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合であることを特徴とする請求項10記載の光無線給電装置。

【請求項12】
 
上記半導体層のバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的および/または連続的に減少するように構成されていることを特徴とする請求項11記載の光無線給電装置。

【請求項13】
 
上記半導体層はバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、上記第1の電極および上記第2の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられていることを特徴とする請求項12記載の光無線給電装置。

【請求項14】
 
移動体と、
上記移動体に一体に設けられ、上記移動体に給電を行う光無線給電装置とを有し、
上記光無線給電装置が、
複数の反射鏡が透明層を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイと、
上記反射鏡アレイの上記他方の主面に設けられ、外部より上記反射鏡アレイの上記一方の主面に入射して上記反射鏡で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路と、
上記非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部と、
を有する光無線給電移動体。

【請求項15】
 
上記移動体は小型無人機、無人航空機、航空機、人工衛星、無人船舶、船舶、水中移動体、無人自動車または自動車である請求項14記載の光無線給電移動体。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2019143540thum.jpg
State of application right Published
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