JP5975359B2

JP5975359B2 - ワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システム

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Publication number: JP5975359B2
Application number: JP2014089172A
Authority: JP
Inventors: 谷　博之; 博之谷
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: JP2015208194A; US20150311726A1; EP2937713A1; CN105048642B; EP2937713B1; CN105048642A; US9705339B2

Description

本発明は、電磁波（マイクロ波）により電力をワイヤレスで送電・受電するワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムに関するものである。

近年、電磁波により電力を伝送し、ワイヤレスで供給する技術の開発が進んでいる。電磁波によるワイヤレス給電技術の一例としては、数１００ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数帯のマイクロ波を用い、電磁誘導や磁気共鳴といった数ｍ以下の近距離で磁界の結合や共鳴を用いるシステムがある。

また、送電装置から受電装置までの距離が長く受電装置が遠方であり、送電位置が変動する対象へのワイヤレスで電力伝送する方法として、電磁波を用いた電力伝送するシステムがある。数百ＭＨｚから数ＧＨｚのマイクロ波を用いることで電磁波を遠方の受電装置まで伝送することが可能となる。このようなワイヤレス電力伝送システムの一例としては、太陽光パネルを搭載した人工衛星を赤道上空へ打ち上げて、太陽光によって発電した電力を地上の受電装置へ送電する宇宙太陽光発電システムや、遠方の離島へ配置された受電装置へ送電するシステム等の、電気自動車（ＥＶ）などの移動体への給電システムがある。

前記のような電磁波（マイクロ波）によりワイヤレスによる電力伝送方法は、他方式に比べて、送電アンテナに対して、送電距離の自由度が高いため、電気自動車やロボットといった移動する物体に対する給電、充電するシステムとして提案されている。

しかしながら、前記のような電力伝送システムは、給電位置がずれることによる給電効率が低下するという問題を有すると共に、マイクロ波帯の高周波を用いているため、外部へ漏洩する電磁波の安全性及び他の機器への影響（ＥＭＩ）という問題を有している。このような問題に対して、正確な位置決めを行うために、受電側である移動体の位置を認識して、送電側の給電位置に移動体を誘導する方法(特許文献１)や、送電側の装置を機械的に制御することにより、受電アンテナの位置に合わせた送電を実現する方法(特許文献２)が提供されている。

図９は、従来の電力伝送システムの構成の一例を示す図である。マイクロ波発生器１０１からマイクロ波伝送路１０２を経由して、送電アンテナ１０３へマイクロ波電力が供給される。マイクロ波伝送路１０２には、分配器、場合によっては増幅器が含まれる。送電アンテナ１０３は、受電アンテナ１０５の移動範囲(位置ズレ範囲)をカバーできる大きなサイズの送電面を持っている。その送電面において、受電アンテナ１０５の受電面に対応する部分のみを送電アンテナの開口１０４とし、その開口１０４から電磁波を放射し、開口１０４以外の部分からは電磁波を放射しない構造とすることにより、効率的なマイクロ波送電を実現している。受電アンテナ１０５で受電された電磁波は、電力変換回路１０６において適切な電力へ変換された後、給電対象１０７へ電力供給される。

従来の送電アンテナにおける切り替え位置の認識とその方法については、磁石による機械的な動作により受電アンテナの位置が認識されて、送電アンテナの開口位置を制御する方法や、別途構成により受電アンテナの位置を認識して、送電するアンテナ素子を電気的に切り替える方法などが提案されている。

特開２０１３−２３６５２４号公報特開２００８−９２７０３号公報

しかしながら、従来の電力伝送システムの構成では、送電位置を認識する構成が必要であると共に、送電アンテナを受電アンテナの位置ズレをカバーできるだけの、大型アンテナとする必要があり、送電、受電の基本的な機能以外に大型で複雑な位置認識用の専用の構成が必要となり、実用的な構成ではなかった。

本発明は、前記の従来の電力伝送システムにおける問題点を解消し、位置ズレによる効率低下や電磁波漏洩の問題を解決するとともに、移動体の位置認識を別途専用の構成を設けることなく、送電アンテナ及び受電アンテナの構成要素を用いてワイヤレス給電するワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムを実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様のワイヤレス給電方法は、
複数のアンテナ素子によりそれぞれが構成された送電アンテナと受電アンテナとの間をワイヤレス給電するためのワイヤレス給電方法であって、
前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面が対向して平行に配置され、
前記受電面に対して所定角度を有して内側に傾斜した反射板が前記受電面の外側部分に設けられており、
前記ワイヤレス給電方法におけるワイヤレス給電動作の前段階の位置ズレ補正動作において、
前記送電アンテナの送電面における外周部に配設された一部のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとし、前記送電面において前記位置検出用送電アンテナの内側に配設されたアンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして機能させること、
前記位置検出用送電アンテナから前記受電アンテナに向かって電磁波を放射すること、
前記反射板により反射されて前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量を算出すること、
算出された前記電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出すること、
検出された前記位置関係に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置補正を行うこと、を含む。

また、本発明の一態様のワイヤレス給電システムは、送電装置と受電装置との間でワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムであって、
前記送電装置は、
電磁波を形成するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器を制御する制御部と、
複数のアンテナ素子により構成された送電面を有する送電アンテナと、を備え
前記受電装置は、
複数のアンテナ素子により構成された受電面を有し、前記受電面が前記送電面に対向して平行に配置された受電アンテナと、
前記受電面の外側部分に設けられ、前記受電面に対して所定角度を有して反射面が内側を向くように傾斜した反射板と、
前記受電アンテナが受電した電力を給電対象に供給するための電力に変換する電力変換回路と、を備え、
ワイヤレス給電動作を行う前の位置ズレ補正動作において、前記送電アンテナの送電面における外周部に配設された一部のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとし、前記送電面において前記位置検出用送電アンテナの内側に配設されたアンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして機能させ、
前記制御部は、前記位置検出用送電アンテナからの電磁波が前記反射板により反射して前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出するよう構成されている。

本発明のワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムによれば、送電アンテナ及び受電アンテナの構成要素を用いて、送電アンテナと受電アンテナの位置関係を認識して、位置補正を行うことにより、効率的で漏洩電磁波が少なく、安全性の高いワイヤレス給電を実施することができる。

本発明に係る実施の形態１におけるワイヤレス給電システムの基本構成を示す図実施の形態１において位置ズレ時の状態を説明する図実施の形態１において位置補正後の状態を説明する図実施の形態１においてワイヤレス給電状態を説明する図実施の形態１の構成における反射波の反射位置を示す図実施の形態１の構成における位置ズレ量と、送電アンテナ素子と受電アンテナ素子との間の距離との関係を示す図実施の形態１の別の構成における位置ズレ量と、送電アンテナ素子と受電アンテナ素子との間の距離との関係を示す図実施の形態１のさらに別の構成において、受電用固定アンテナ素子を用いた場合の位置ズレ時の状態を説明する図従来のワイヤレス給電方法を示す図

本発明に係る第１の態様のワイヤレス給電方法は、
複数のアンテナ素子によりそれぞれが構成された送電アンテナと受電アンテナとの間をワイヤレス給電するためのワイヤレス給電方法であって、
前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面が対向して平行に配置され、
前記受電面に対して所定角度を有して内側に傾斜した反射板が前記受電面の外側部分に設けられており、
前記ワイヤレス給電方法におけるワイヤレス給電動作の前段階の位置ズレ補正動作において、
前記送電アンテナの送電面における外周部に配設された一部のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとし、前記送電面において前記位置検出用送電アンテナの内側に配設されたアンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして機能させること、
前記位置検出用送電アンテナから前記受電アンテナに向かって電磁波を放射すること、
前記反射板により反射されて前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量を算出すること、
算出された前記電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出すること、
検出された前記位置関係に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置補正を行うこと、を含む。
このように構成された本発明に係る第１の態様のワイヤレス給電方法は、位置ズレによる効率低下や電磁波漏洩の問題を解決するとともに、移動体の位置認識を送電アンテナ及び受電アンテナの構成要素を用いて実現することができる。

本発明に係る第２の態様のワイヤレス給電方法は、前記の第１の態様における前記反射板が、前記受電アンテナの受電面に対して０度より大きく４５度未満の角度に傾いて設ける構成としてもよい。

本発明に係る第３の態様のワイヤレス給電方法は、前記の第１又は第２の態様における前記位置ズレ補正動作において、前記送電アンテナにおける特定の送電アンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして使用し、前記位置ズレ補正動作の終了時に前記位置検出用受電アンテナを送電アンテナ素子に切り替えることを含む構成としてもよい。

本発明に係る第４の態様のワイヤレス給電方法は、前記の第１から第３の態様のいずれかの態様における前記位置ズレ補正動作において、前記受電アンテナの受電面が前記送電アンテナの送電面に対して、前記受電面及び前記送電面と平行な平面内の所定の方向の位置ズレを検出するために、前記送電面における外周部の所定の位置に前記位置検出用送電アンテナが１素子毎に配設されており、
前記位置検出用送電アンテナの１素子毎に切り替えて送電して、前記位置検出用送電アンテナから放射され、前記反射板により反射された電磁波を受電した前記位置検出用受電アンテナにおいて検出された電力量に基づいて、位置ズレの方向を特定し、特定された位置ズレの方向へ位置補正するよう構成してもよい。

本発明に係る第５の態様のワイヤレス給電方法は、前記の第１の態様において、前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面との間の距離が、０．１ｍ以上１ｍ以下の範囲内であり、前記反射板の受電面に対する角度が０度より大きく、５度以下の範囲内で設定され、前記位置検出用受電アンテナが前記ワイヤレス給電動作においても機能を保持するように構成してもよい。

本発明に係る第６の態様のワイヤレス給電システムは、送電装置と受電装置との間でワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムであって、
前記送電装置は、
電磁波を形成するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器を制御する制御部と、
複数のアンテナ素子により構成された送電面を有する送電アンテナと、を備え
前記受電装置は、
複数のアンテナ素子により構成された受電面を有し、前記受電面が前記送電面に対向して平行に配置された受電アンテナと、
前記受電面の外側部分に設けられ、前記受電面に対して所定角度を有して反射面が内側を向くように傾斜した反射板と、
前記受電アンテナが受電した電力を給電対象に供給するための電力に変換する電力変換回路と、を備え、
ワイヤレス給電動作を行う前の位置ズレ補正動作において、前記送電アンテナの送電面における外周部に配設された一部のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとし、前記送電面において前記位置検出用送電アンテナの内側に配設されたアンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして機能させ、
前記制御部は、前記位置検出用送電アンテナからの電磁波が前記反射板により反射して前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出するよう構成されている。
このように構成された本発明に係る第６の態様のワイヤレス給電システムは、位置ズレによる効率低下や電磁波漏洩の問題を解決するとともに、移動体の位置認識を送電アンテナ及び受電アンテナの構成要素を用いて実現することができる。

本発明に係る第７の態様のワイヤレス給電システムにおいては、前記の第６の態様における前記制御部は、
前記送電アンテナにおける複数のアンテナ素子の一部を位置検出用受電アンテナとして機能させるためのアンテナ切り替えスイッチと、
前記アンテナ切り替えスイッチにより切り替えられた前記位置検出用受電アンテナが受電した電力を位置ズレ検出電力に変換する受電回路と、
前記アンテナ切り替えスイッチを制御する制御回路と、を有し、
前記制御回路は、ワイヤレス給電動作を行う前の位置ズレ補正動作において、前記アンテナ切り替えスイッチを制御して、前記送電アンテナにおける複数のアンテナ素子の一部を位置検出用受電アンテナとして機能させて、前記位置検出用送電アンテナからの電磁波が前記反射板により反射して前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出するよう構成してもよい。

本発明に係る第８の態様のワイヤレス給電システムは、前記の第６又は第７の態様における前記反射板が、前記受電アンテナの受電面に対して０度より大きく４５度未満の角度に傾いて設けられもよい。

本発明に係る第９の態様のワイヤレス給電システムは、前記の第６から第８の態様における前記制御部が、前記位置ズレ補正動作において、前記送電アンテナにおける特定の送電アンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして使用し、前記位置ズレ補正動作の終了時に前記位置検出用受電アンテナを送電アンテナ素子に切り替えるよう制御してもよい。

本発明に係る第１０の態様のワイヤレス給電システムは、前記の第６から第９の態様において、前記送電装置又は前記受電装置が、検出された前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を示す情報に基づいて、前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面が対向するように所定位置に移動するよう構成してもよい。

以下、本発明のワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムに係る実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係る実施の形態１におけるワイヤレス給電システムの基本構成を示す図である。電磁波（マイクロ波）を形成する第１のマイクロ波発生器２０１は、マイクロ伝送路２０２を介して、複数のアンテナ素子から構成された送電アンテナ２０３へ電力を供給する。マイクロ伝送路２０２としては、分配器、場合によっては増幅器が含まれる。送電アンテナ２０３の送電面は、受電アンテナ２０４の受電面に対向して平行に配置されており、送電面から受電面に向かってマイクロ波を放射する構成である。送電面と受電面は略同じ形状を有している。受電アンテナ２０４で受電されたマイクロ波は、電力変換回路２０５において適切な電力（ＤＣ電力）に変換された後、給電対象２０６への電力供給が行われる。

実施の形態１におけるワイヤレス給電システムは、送電アンテナ２０３を備える送電装置と、受電アンテナ２０４を備える受電装置とにより構成されている。送電装置は、マイクロ波を形成するマイクロ波発生器２０１と、マイクロ波発生器２０１を制御する制御部２０８と、送電アンテナ２０３と、を備えている。また、受電装置は、送電アンテナ２０３の送電面に対向して平行に配置された受電アンテナ２０４と、受電アンテナ２０４の受電面の外側部分に設けられ、受電面に対して所定角度を有して反射面が内側を向くように傾斜した反射板２０７と、受電アンテナ２０４が受電した電力を給電対象２０６に供給するための電力に変換する電力変換回路２０５と、を備えている。

実施の形態１におけるワイヤレス給電システムにおいては、給電対象２０６への電力給電を行う前に、受電アンテナ２０４の受電面の外側部分に受電面を取り囲むように設けられた反射板２０７による反射波を用いて位置ズレ補正動作を行っている。この位置ズレ補正動作においては、送電アンテナ２０３を構成する複数のアンテナ素子の中の特定のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとして用いている。この位置検出用送電アンテナから放射された電磁波（マイクロ波）が、位置ズレしている受電アンテナ２０４に設けられた反射板２０７により反射され、その反射波が送電アンテナ２０３において受電機能を持つ位置検出用受電アンテナにより受電される。実施の形態１におけるワイヤレス給電システム及びワイヤレス給電方法においては、送電アンテナ２０３における位置検出用受電アンテナが反射波を受電したとき、その反射波の電力を制御部２０８において電力変換し、その変換した電力量から、送電アンテナ２０３の送電面と受電アンテナ２０４の受電面との位置ズレが検出される。

上記の位置ズレ補正動作において、送電アンテナ２０３を構成するアンテナ素子のうち、受電用として用いられる位置検出用受電アンテナは、送電用のアンテナ素子を受電用のアンテナ素子として切り替えられて用いられている。送電アンテナ２０３において位置検出用受電アンテナにより受電したマイクロ波は、制御部２０８により電力変換される。制御部２０８は、その変換された電力量から反射波の強度を検出し、その反射波の強度に基づいて、送電アンテナ２０３の送電面と受電アンテナ２０４の受電面との位置関係（位置ズレ）を検出する。検出された位置関係を示す情報に基づいて、送電アンテナ２０３又は受電アンテナ２０４をそれぞれの送電面と受電面が適切に対向するように移動させる。この送電面と受電面を適切な位置に移動させる方法としては、送電アンテナ２０３を備える送電装置又は受電アンテナ２０４を備える受電装置を、検出された位置関係を示す情報に基づいて、送電アンテナ２０３又は受電アンテナ２０４を移動させるための移動手段を用いて自動的に駆動してもよい。

次に、図２、図３及び図４を用いて、送電アンテナ２０３と受電アンテナ２０４の位置ズレが生じていた場合において、その位置ズレ量を検出する方法について説明する。なお、これらの図２、図３及び図４は、Ｘ方向（各紙面における上下側方向）にずれた場合について説明しており、各図はＺＸ平面を示した図である。なお、以下に説明するＸ方向にずれた場合と同様の方法を用いて、Ｙ方向にずれた場合においても、ＹＺ平面における位置ズレを検出することができる。

図２に示すように、実施の形態１のワイヤレス給電システムにおける送電装置の制御部２０８（図１参照）は、送電アンテナ２０３における複数のアンテナ素子の一部を位置検出用受電アンテナ４０１として機能させるためのアンテナ切り替えスイッチ４０２と、アンテナ切り替えスイッチ４０２により切り替えられた位置検出用受電アンテナ４０１が受電した電力を位置ズレ検出電力に変換する受電回路４０３と、アンテナ切り替えスイッチ４０２を制御する制御回路４０６と、を有している。

まず、位置ズレ補正動作における反射波検出動作について説明する。図２は、送電アンテナ２０３が受電アンテナ２０４に比べて−Ｘ軸方向（図２の紙面の下側方向）に位置がずれていた場合の状態を示す図である。図２において、送電アンテナ２０３における特定のアンテナ素子、ここでは複数の送電アンテナ素子で構成された送電面の両側に配置された第１の送電アンテナ素子３０１と第２の送電アンテナ素子３０２が、位置検出用送電アンテナとして用いられている。第１の送電アンテナ素子３０１と第２の送電アンテナ素子３０２は、マイクロ波発生器２０１から供給された電力を電磁波（マイクロ波）として受電アンテナ２０４に向かって放射する。

図２に示す状態において、一方の位置検出用送電アンテナである第１の送電アンテナ素子３０１からマイクロ波が放射された場合、放射されたマイクロ波は当該第１の送電アンテナ素子３０１の正面方向に存在する反射板２０７により反射される。反射板２０７は、受電アンテナ２０４の受電面に対する角度θが０度より大きく、４５度未満の範囲内の角度に設置されている。このため、反射板２０７により反射された電磁波は、送電アンテナ２０３の内側の方向へ反射し、送電アンテナ２０３の送電面の内側に配置された複数のアンテナ素子で構成された位置検出用受電アンテナ４０１により受電される。このときの位置検出用受電アンテナ４０１の各アンテナ素子は、マイクロ波発生器２０１に接続されている送電路から切り離されており、アンテナ切り替えスイッチ４０２により受電回路４０３に接続されている。このように位置検出用受電アンテナ４０１で受電したマイクロ波は、受電回路４０３によりＤＣ電力に電力変換されて、制御回路４０６へ入力される。このように電力変換されたＤＣ電力が制御回路４０６において検出される。制御回路４０６は、検出されたＤＣ電力の値が大きければ第１の送電アンテナ素子３０１からのマイクロ波が反射板２０７により反射されて受電されたと認識して、位置ズレの発生を検出する。

一方、図２に示す状態において、他方の位置検出用送電アンテナである第２の送電アンテナ素子３０２からマイクロ波が放射された場合、当該第２の送電アンテナ素子３０２から正面方向に放射された強いマイクロ波は、反射板２０７には当たらず、受電アンテナ２０４の受電面の受電アンテナ素子により受電される。このため、このときに位置検出用受電アンテナ４０１で受電される電力量は小さいものとなり、制御回路４０６は送電アンテナ２０３が＋Ｘ方向へ位置ズレしていないことを検出することができる。

以上のように、実施の形態１のワイヤレス給電システムにおける送電装置の制御回路４０６は、ワイヤレス給電動作を行う前の位置ズレ補正動作において、送電アンテナ２０３における複数のアンテナ素子の一部を位置検出用送電アンテナ３０１，３０２として機能させて、位置検出用送電アンテナ３０１，３０２からの電磁波が反射板２０７により反射して位置検出用受電アンテナ４０１が受電した電磁波（マイクロ波）の電力量に基づいて、送電アンテナ２０３の送電面と受電アンテナ２０４の受電面との位置関係（位置ズレ）を検出するよう構成されている。

以上のように、送電側の送電装置においては、位置ズレ補正動作における反射波検出動作を行うことにより、位置ズレの発生の有無と、位置ズレが発生していた場合の位置ズレ方向を認識することができる。このように認識した情報に基づき、送電側の制御部２０８は送電アンテナ２０３の位置を補正する、若しくは送電側の制御部２０８が受電アンテナ２０４へその情報を伝達して、すなわち、給電対象２０６へ位置ズレの情報を伝達して、受電側の受電装置において位置ズレを補正動作を行ってもよい。

上記のように反射波検出動作において得られた情報に基づいて、送電側の送電装置又は受電側の受電装置において位置補正を行い、送電アンテナ２０３と受電アンテナ２０４との位置ズレが補正される。位置ズレが補正された状態を図３に示す。図３に示す位置ズレが補正された正常な状態では、第１の送電アンテナ素子３０１と第２の送電アンテナ素子３０２から放射された正面方向の強い電磁波は反射波として戻ってくることがなく、位置検出用受電アンテナ４０１で検出される電力量が小さいものとなる。このため、制御回路４０６は位置ズレがないと認識することができる。このように制御回路４０６が位置ズレがないと認識したとき、位置ズレ補正動作を終了して、アンテナ切り替えスイッチ４０２において送電アンテナ２０３における全てのアンテナ素子を送電アンテナ素子として切り替える。すなわち、送電アンテナ２０３における全てのアンテナ素子がマイクロ波発生器２０１に接続されて、電磁波（マイクロ波）を送信する送電アンテナ素子として機能する。図４は、送電アンテナ２０３における全ての送電アンテナ素子を用いて電磁波（マイクロ波）による電力送電を開始したワイヤレス給電状態を示している。

前記のように反射波検出動作を用いたワイヤレス給電方法によれば、送電アンテナ２０３と受電アンテナ２０４の送電面及び受電面に対して平行な方向の位置ズレを認識することができ、その位置ズレを補正することにより、正確な位置決めによる効率的な電力伝送が可能となる。

また、位置ズレ補正動作においては、位置決めに用いる送電アンテナ素子が、送電アンテナ２０３の中の一部のアンテナ素子のみを用いた送電であるため、実施の形態１のワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムにおいては、送電電力が小さく、安全性が確保された位置検出手段を用いた構成である。

実施の形態１におけるワイヤレス給電方法は、位置検出時の送電アンテナ２０３の第１の送電アンテナ素子３０１と第２の送電アンテナ素子３０２を順次切り替えて、例えば、位置検出用送電アンテナの１素子毎に切り替えて送電して、位置ズレ方向を検出する方法で説明したが、位置検出用送電アンテナ素子である第１の送電アンテナ素子３０１と第２の送電アンテナ素子３０２に対して同時に送電して、位置検出用受電アンテナ４０１を構成する各アンテナ素子において反射波の電力を検出した位置と電力量により、位置ズレ方向と位置ズレ量を検出することも可能である。その方法について、図５を用いて説明する。図５は、送電アンテナ２０３の送電面と受電アンテナ２０４の受電面に対して平行な面において、送電アンテナ２０３が受電アンテナ２０４に対して−Ｘ方向に距離ｄだけ位置ズレしている状態を示した図である。図５に示した状態において、第１の送電アンテナ素子３０１から正面方向に放射された電磁波（マイクロ波）は、受電面に対する角度θで配置された反射板２０７により反射されて、第１の送電アンテナ素子３０１から距離Ａの位置に到達する。この時の距離Ａは下記式（１）に示す関係から計算することができる。

上記の式（１）に示す関係より、送電アンテナ２０３と受電アンテナ２０４との間の距離Ｂと、反射板２０７の傾きθにおける、位置ズレ量ｄと、最も強い反射波を受電する受電アンテナ素子の位置（位置検出用送電アンテナ素子から当該位置検出用受電アンテナ素子までの距離Ａ）との関係を図６のグラフに示すように求めることができる。図６に示すグラフにおいて、式（１）の計算ではＢ＝１ｍ、θ＝２０°とした。この式（１）に示す関係性を用いて、位置検出用受電アンテナ４０１を構成する各素子間の電力強度を比較することで、位置ズレ方向と、位置ズレ量ｄを計算することが可能である。なお、図５に示す送電アンテナ２０３及び受電アンテナ２０４は、同じ構成を有して、それぞれの送電面及び受電面が対向して平行に配置されており、図５の送電アンテナ２０３における第１の送電アンテナ素子３０１が送電面の略最外周位置にある。

図５に示した位置関係において、例えば、Ｂ＝１ｍ、θ＝５°の場合の位置ズレ量ｄと反射波を受電する位置検出用受電アンテナ素子の位置（距離Ａ）との関係を計算した結果を図７に示す。図７に示す構成の場合、位置ズレ量ｄに関わらず、強い電力を受電する位置検出用受電アンテナ素子の位置（距離Ａ）がほとんど変化しない状態となる。このため、第１の送電アンテナ素子３０１から距離Ａだけ離れた位置にある特定のアンテナ素子のみを位置検出用受電アンテナとして用いることが可能となる。即ち、位置ズレ量ｄに関わらず、この位置検出用受電アンテナにより強い反射波が受電されることになる。このため、位置検出用受電アンテナとして用いるアンテナ素子の数を減らすことが可能とあり、送電アンテナ２０３において送電と受電とを切り替えることなく受電用固定アンテナ素子として用いることが可能となる。

図８は、送電アンテナ２０３において一部のアンテナ素子を受電用固定アンテナ素子として用いた構成を示す図である。図８においては、位置ズレ補正動作時の状態を示しており、第１の送電アンテナ素子３０１からの反射波が第１の受電用固定アンテナ素子４０４で受電され、第２の送電アンテナ素子３０２からの反射波が第２の受電用固定アンテナ素子４０５で受電され得る構成である。前述のように、例えば、Ｂ＝１ｍ、θ＝５°のように、送電アンテナ２０３の送電面と受電アンテナ２０４の受電面との間の距離が短く（例えば、０．１ｍ以上１ｍ以下の範囲内）、反射板２０７の受電面に対する角度θが、例えば、０度より大きく、５度以下の範囲内で設定されている場合においては、送電アンテナ２０３における所定の位置に予め受電用固定アンテナ素子を設けて、送電側にアンテナ切り替えスイッチを設ける必要のない構成となる。

なお、実施の形態１の説明においては、全てＸ軸方向の位置ズレについてＺＸ平面図を用いて詳細に説明したが、Ｙ軸方向の位置ズレについても、ＹＺ平面図を用いて同様に説明することができる。このため、送受電アンテナの送受電面に対して平行な方向の位置ズレに対しては、本発明のマイクロ波給電方法を適用することができる。

本発明は、送電アンテナと受電アンテナの位置あわせのために、送電アンテナ上の特定のアンテナ素子を用いて位置ズレ量を検出することができ、別途特別な位置あわせ装置を必要としないため、実用的な移動体へのワイヤレス給電として利用できる汎用性の高いワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムである。

２０１マイクロ波発生器
２０２マイクロ波伝送路
２０３送電アンテナ
２０４受電アンテナ
２０５電力変換回路
２０６給電対象
２０７反射板
２０８制御部
３０１第１の送電アンテナ素子
３０２第２の送電アンテナ素子
４０１位置検出用受電アンテナ
４０２アンテナ切り替えスイッチ
４０３受電回路
４０４第１の受電用固定アンテナ素子
４０５第２の受電用固定アンテナ素子
４０６制御回路

Claims

複数のアンテナ素子によりそれぞれが構成された送電アンテナと受電アンテナとの間をワイヤレス給電するためのワイヤレス給電方法であって、
前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面が対向して平行に配置され、
前記受電面に対して所定角度を有して内側に傾斜した反射板が前記受電面の外側部分に設けられており、
前記ワイヤレス給電方法におけるワイヤレス給電動作の前段階の位置ズレ補正動作において、
前記送電アンテナの送電面における外周部に配設された一部のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとし、前記送電面において前記位置検出用送電アンテナの内側に配設されたアンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして機能させること、
前記位置検出用送電アンテナから前記受電アンテナに向かって電磁波を放射すること、
前記反射板により反射されて前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量を算出すること、
算出された前記電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出すること、
検出された前記位置関係に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置補正を行うこと、を含むワイヤレス給電方法。
前記反射板が、前記受電アンテナの受電面に対して０度より大きく４５度未満の角度に傾いて設けられた請求項１に記載のワイヤレス給電方法。
前記位置ズレ補正動作においては、前記送電アンテナにおける特定の送電アンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして使用し、前記位置ズレ補正動作の終了時に前記位置検出用受電アンテナを送電アンテナ素子に切り替えることを含む、請求項１又は２に記載のワイヤレス給電方法。
前記位置ズレ補正動作においては、前記受電アンテナの受電面が前記送電アンテナの送電面に対して、前記受電面及び前記送電面と平行な平面内の所定の方向の位置ズレを検出するために、前記送電面における外周部の所定の位置に前記位置検出用送電アンテナが１素子毎に配設されており、
前記位置検出用送電アンテナの１素子毎に切り替えて送電して、前記位置検出用送電アンテナから放射され、前記反射板により反射された電磁波を受電した前記位置検出用受電アンテナにおいて検出された電力量に基づいて、位置ズレの方向を特定し、特定された位置ズレの方向へ位置補正する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のワイヤレス給電方法。
前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面との間の距離が、０．１ｍ以上１ｍ以下の範囲内であり、前記反射板の受電面に対する角度が０度より大きく、５度以下の範囲内で設定され、前記位置検出用受電アンテナが前記ワイヤレス給電動作においても機能を保持するように構成された請求項１に記載のワイヤレス給電方法。
送電装置と受電装置との間でワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムであって、
前記送電装置は、
電磁波を形成するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器を制御する制御部と、
複数のアンテナ素子により構成された送電面を有する送電アンテナと、を備え
前記受電装置は、
複数のアンテナ素子により構成された受電面を有し、前記受電面が前記送電面に対向して平行に配置された受電アンテナと、
前記受電面の外側部分に設けられ、前記受電面に対して所定角度を有して反射面が内側を向くように傾斜した反射板と、
前記受電アンテナが受電した電力を給電対象に供給するための電力に変換する電力変換回路と、を備え、
ワイヤレス給電動作を行う前の位置ズレ補正動作において、前記送電アンテナの送電面における外周部に配設された一部のアンテナ素子を位置検出用送電アンテナとし、前記送電面において前記位置検出用送電アンテナの内側に配設されたアンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして機能させ、
前記制御部は、前記位置検出用送電アンテナからの電磁波が前記反射板により反射して前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出するよう構成されたワイヤレス給電システム。
前記制御部は、
前記送電アンテナにおける複数のアンテナ素子の一部を位置検出用受電アンテナとして機能させるためのアンテナ切り替えスイッチと、
前記アンテナ切り替えスイッチにより切り替えられた前記位置検出用受電アンテナが受電した電力を位置ズレ検出電力に変換する受電回路と、
前記アンテナ切り替えスイッチを制御する制御回路と、を有し、
前記制御回路は、ワイヤレス給電動作を行う前の位置ズレ補正動作において、前記アンテナ切り替えスイッチを制御して、前記送電アンテナにおける複数のアンテナ素子の一部を位置検出用受電アンテナとして機能させて、前記位置検出用送電アンテナからの電磁波が前記反射板により反射して前記位置検出用受電アンテナが受電した反射波の電力量に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を検出するよう構成された請求項６に記載のワイヤレス給電システム。
前記反射板が、前記受電アンテナの受電面に対して０度より大きく４５度未満の角度に傾いて設けられた請求項６又は７に記載のワイヤレス給電システム。
前記制御部は、前記位置ズレ補正動作において、前記送電アンテナにおける特定の送電アンテナ素子を位置検出用受電アンテナとして使用し、前記位置ズレ補正動作の終了時に前記位置検出用受電アンテナを送電アンテナ素子に切り替えるよう制御する請求項６乃至８のいずれか一項に記載のワイヤレス給電システム。
前記送電装置又は前記受電装置が、検出された前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係を示す情報に基づいて、前記送電アンテナの送電面と前記受電アンテナの受電面が対向するように所定位置に移動するよう構成された請求項６乃至９のいずれか一項に記載のワイヤレス給電システム。