JP2007244015A

JP2007244015A - 建物内無線電力伝送システム

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Publication number: JP2007244015A
Application number: JP2006058966A
Authority: JP
Inventors: Masatake Shinohara; 真毅篠原; Tomohiko Mitani; 友彦三谷; Hiroshi Matsumoto; 紘松本; Tatsuhiko Adachi; 龍彦安達; Naomiki Niwa; 直幹丹羽; Kenji Takagi; 賢二高木; Kenichi Hamamoto; 研一浜本
Original assignee: Kajima Corp; Kyoto University
Current assignee: Kajima Corp; Kyoto University
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: JP4278061B2

Abstract

【課題】建物内の各部分にその部分の電力使用量に応じた電磁波を分配できる建物内無線電力システムを提供する。
【解決手段】建物１の床２の内部に複数の電磁波伝送路10a、10b、10c……を並列に設け、各電磁波伝送路10と交差する向きに主導波管21を重ねて設け、その主導波管21の管壁に穿った複数の窓25a、25b、25c……を介して各電磁波伝送路10に電磁的に結合される複数の分岐導波管22a、22b、22c……を設ける。主導波管21の各窓25の対向内壁にそれぞれ管内側へ突出させて誘導性壁部材31を設け、その誘導性壁部材31の突出量に応じた割合で主導波管21の電磁波を分岐導波管22経由で各電磁波伝送路10に分配する。好ましくは、主導波管21の各窓25の周縁にそれぞれ窓中央側へ突出させて誘導性窓周縁部材32a、32b、32c……を設け、各誘導性壁部材31の突出量と各誘導性窓周縁部材32の突出量とに応じた割合で主導波管21の電磁波を各電磁波伝送路10に分配する。
【選択図】図１

Description

本発明は建物内無線電力伝送システムに関し、とくにマイクロ波その他の電磁波を用いて建物内の電力消費部位に無線で電力を供給するシステムに関する。

従来から、例えば特許文献１が開示するように、宇宙空間で太陽光発電により得た電力をマイクロ波に変換して地球上の電力消費地域に照射し、地上の受電用アンテナ（以下、レクテナという）でマイクロ波を電気に変換して電気機器の電力源とする宇宙太陽発電システム（Space Solar Power System）が提案されている。マイクロ波等の電磁波を用いる無線電力伝送は、電線を用いる有線電力伝送に比して設備コストを削減できる経済性を有しており、またレクテナさえあれば配線が困難な離島や被災地等にも電力を供給できる等の利点を有している。特許文献２及び非特許文献１は、この無線電力伝送の利点を建物内の電力供給に適用し、建物内の床や天井、壁等に配置した電磁波放射アンテナ（例えば導波管スロットアンテナ）から建物屋内の所定空間内に電磁波を放射し、その所定空間内で様々な電気機器をバッテリーなしで駆動可能とし又はコードレスで充電可能とする無線電力供給システムを提案している。

本発明者等は、建物の床や天井、壁の内部の構造体や仕上げ材により生じる閉空間を電磁波伝送路として利用する建物内の無線電力伝送システムを開発し、特願2004-357114号に開示した。その無線電力伝送システムの一例を図１２に示す。同図（Ａ）は、多層構造建物１の各階の床２又は天井３（以下、床スラブ２ということがある）の内部閉空間に電磁波伝送路10を設けた電力伝送システムである。図示例の床スラブ２は、荷重負担用の複数の山・谷が長手方向に並列に形成されたデッキプレート11を鉄骨梁６上に支持して敷き詰め、そのデッキプレート11上にコンクリート５を打設して構築したものである。同図（Ｂ）は、デッキプレート11の長手方向と直交方向の床スラブ２の断面図を示す。このようなデッキプレート11は一般に鋼板等の導体製であるから、デッキプレート11のコンクリート打設側と反対側（開放された底面側）を導体製の遮蔽板12で塞ぐことにより、床スラブ２の底部にデッキプレート11の山部と遮蔽板12とで囲まれた複数の並列な電磁波伝送路10（以下、デッキプレート導波管ということがある）を形成できる。すなわち、建築部材であるデッキプレート11をそのまま利用して無線電力伝送の電磁波伝送路10とすることができる。

同図（Ａ）の床スラブ２には、デッキプレート導波管と共に、その長手方向と交差する向きに電磁波を送る給電導波管20が設けられている。給電導波管20には、適当な電力源53（例えば商用電力や燃料電池等）に接続されたマグネトロンその他の電磁波発生装置52から中継導波管29を介して、所要電力密度（例えば６W／cm²程度）の電磁波が供給される。長距離伝送による電磁波の減衰を避けるため、電磁波発生装置52は各階毎に設けることが望ましい。また電磁波発生装置52で発生させる電磁波の電力密度は、給電導波管20及び／又はデッキプレート導波管内の電力密度に応じて制御することができる。図示例の給電導波管20は、例えば鋼板等を凹状に屈曲させて成形した樋状部材の頂端開口をデッキプレート導波管の底面との結合によって塞ぎ、電磁波が漏れないようにしたものである。給電導波管20からデッキプレート導波管内に電磁波を送り込むため、給電導波管20を取り付けるデッキプレート導波管の底面部分の遮蔽板12は予め設置しないでおくか又は取り外す。

同図（Ｂ）に示すように、給電導波管20からデッキプレート導波管に送られた電磁波の電力は、デッキプレート導波管の頂面又は底面（Ｈ面）の任意位置からレクテナ付き同軸プローブ60を利用して床スラブ２の床側又は天井側に取り出すことができる。また、マイクロ波整流回路やレギュレータ、蓄電池等で構成されるコンセントボックス55を設置することにより、用途に応じて直流電力を得ることもできる。コンセントボックス55には、コンセント56付き電線61を介して様々な電気機器57を接続できる。図中の符号57は、コンセントボックス55を介さず同軸プローブ60に直接接続された建物１内の照明その他の電気機器を示す。同図に示す無線電力伝送システムは、デッキプレート11をそのまま利用することからシステム導入コストを低く抑えることができる利点があり、電力取り出し位置を簡易に変更できることから給電場所の自由度の高いユビキタス電源としての役割も果たす。

特開２００３−３０９９３８号公報特開２００５−２６１１８７号公報特許第２７３３４７２号公報特開２００５−０９３０８５号公報篠原真毅他「無線電力空間の基礎研究」社団法人電子情報通信学会、信学技報SPS2003-18、2004年3月、pp.47-53 高橋司他「スロットアレー用導波管電力分配器の側壁板による反射抑制」社団法人電子情報通信学会、信学技報A-P94-7、1994年4月、pp.45-50 中島将光著「マイクロ波工学・基礎と原理」森北出版株式会社、1975年4月15日、pp.110-135 アハマド・ムニル他「人工誘電体を用いた導波管型共振器の特性改善」電子情報通信学会論文誌Ｃ、Vol.J87-C、No.12、2004年12月、pp.1024-1029

しかし、図１２の無線電力伝送システムは、給電導波管20からデッキプレート導波管の全ての電磁波伝送路10に電磁波をほぼ均等に伝送しているため、電力エネルギーの効率的利用が難しい問題点がある。図１１は、多層構造建物１の特定階において必要とされるコンセントボックス55の配置例を示す。同図に示すようにコンセントボックス55は廊下４を含む床スラブ２上にランダムに配置されるものであり、それに応じてデッキプレート導波管の電力使用状況も電磁波伝送路10毎に相違する。図１２の無線電力伝送システムのエネルギー利用効率向上を図るためには、コンセントボックス55等が配置されていない電磁波伝送路10への電磁波分配を小さく抑え、給電導波管20の電磁波をコンセントボックス55が配置された電磁波伝送路10に効率的に分配することが有効である。

従来から導波管スロットアンテナ等の技術分野では、例えば特許文献３及び非特許文献２が開示するように、給電導波管の電磁波を複数の放射導波管へその振幅や位相が等しくなるように均等に分配する技術が提案されている。しかし、図１１のように各電磁波伝送路10の電力使用状況が相違する場合に、給電導波管20の電磁波を各電磁波伝送路10の電力使用状況に応じていわば不均等に分配する適当な技術は開発されていない。また建物１内の電力使用状況は、竣工後に例えば設備の配置替えや間取りの変更等によって変化し得る。建物１内の無線電力伝送システムの実用化を図るためには、建物１内の電力使用状況の変化に応じて、給電導波管20から各電磁波伝送路10への電磁波の分配量（分岐部における結合度）を竣工後も容易に調節できる電力分配システムとすることが望ましい。

そこで本発明の目的は、建物内の各部分にその部分の電力使用量に応じた電磁波を分配できる建物内無線電力システムを提供することにある。

図１の実施例を参照するに、本発明の建物内無線電力伝送システムは、建物１の床２、天井３（図１２参照）又は壁の内部に並列に設けた複数の電磁波伝送路10a、10b、10c……、各電磁波伝送路10a、10b、10c……と交差する向きに重ねて設けた給電導波管20、並びに給電導波管20の電磁波を電磁波伝送路10a、10b、10c……毎に定めた割合で各電磁波伝送路10a、10b、10c……に分配する電力分配手段30を備えてなるものである。

例えば図１に示すように、給電導波管20に、各電磁波伝送路10a、10b、10c……と交差する向きに電磁波を送る主導波管21と、その主導波管21の管壁に穿った複数の窓25a、25b、25c……を各電磁波伝送路10a、10b、10c……に電磁的に結合する複数の分岐導波管22a、22b、22c……とを含め、電力分配手段30を主導波管21の各窓25a、25b、25c……の対向内壁にそれぞれ管内側へ突出させて設けた誘導性壁部材31a、31b、31c……とし、各誘導性壁部材31a、31b、31c……の突出量x_a、x_b、x_c……（図２（Ｂ）参照）に応じた割合で主導波管21の電磁波を各分岐導波管22a、22b、22c……に分配する。

この場合において好ましくは、電力分配手段30に主導波管21の各窓25a、25b、25c……の周縁にそれぞれ窓中央側へ突出させて設けた誘導性窓周縁部材32a、32b、32c……を含め、各誘導性壁部材31a、31b、31c……の突出量x_a、x_b、x_c……と各誘導性窓周縁部材32a、32b、32c……の突出量m_a、m_b、m_c……（図２（Ｂ）参照）とに応じた割合で主導波管21の電磁波を各分岐導波管22a、22b、22c……に分配する。更に好ましくは、電力分配手段30に、各誘導性壁部材31a、31b、31c……及び／又は各誘導性窓周縁部材32a、32b、32c……を突出方向に移動可動に支持し、且つ、それらの突出量x_a、x_b、x_c……及び／又はm_a、m_b、m_c……を個別に調節する複数の突出量調節機構41a、41b、41c……及び／又は42a、42b、42c……（図９参照）を含める。

また例えば図６に示すように、電力分配手段30を、給電導波管20上の各電磁波伝送路10a、10b、10c……との交差位置にそれぞれ穿った給電孔38a、38b、38c……と、各電磁波伝送路10a、10b、10c……の給電孔対向位置に穿った受電孔39a、39b、39c……との組み合わせとし、各給電孔38a、38b、38c……と受電孔39a、39b、39c……との重なり位置及び形状に応じた割合で給電導波管20の電磁波を各電磁波伝送路10a、10b、10c……に分配する。この場合は、給電導波管20に図１のような分岐導波管22a、22b、22c……を設ける必要がなくなる。

この場合において好ましくは、電力分配手段30に給電孔38a、38b、38c……又は受電孔39a、39b、39c……に嵌め込んだ所要誘電率の誘電体47a、47b、47c……を含め、各給電孔38a、38b、38c……及び受電孔39a、39b、39c……の重なり位置及び形状と各誘電体47a、47b、47c……の誘電率とに応じた割合で給電導波管20の電磁波を各電磁波伝送路10a、10b、10c……に分配する。更に好ましくは、誘電体47a、47b、47c……を誘電率が可変のものとし、電力分配手段30に各誘電体47a、47b、47c……の誘電率を個別に調節する複数の誘電率調節手段を含める。

本発明による建物内無線電力伝送システムは、建物１の床スラブ２の内部に並列に設けた複数の電磁波伝送路10a、10b、10c……の各々に、それらと交差する向きに重ねて設けた給電導波管20の電磁波を、電力分配手段30により電磁波伝送路10a、10b、10c……毎に定めた割合で分配するので、次の顕著な効果を奏する。

（イ）建物内の各部分の電力使用状況に応じて、電力供給が必要な電磁波伝送路10に給電導波管20から必要な電磁波を効率的に分配し、電力供給が不要な電磁波伝送路10への電磁波の分配を削減できるので、システムのエネルギー利用効率の向上を促進できる。
（ロ）また、余分な電磁波伝送の削減により電磁波の漏れや熱損失を小さく抑えることが期待でき、漏洩電磁波による建物１内の人体に対する好ましくない影響を避けると共に、熱損失に伴う電磁波伝送路10の発熱対策等も軽減できる。
（ハ）電力分配手段30に各電磁波伝送路10への電磁波分配割合を調節する調節機構を含めることにより、建物１の竣工後に手動又は自動で容易に電磁波の分配割合を変更することが可能であり、高いエネルギー利用効率を維持しつつ給電場所の自由度が高い無線電力伝送を実現できる。
（ニ）また、建物１内の電力使用ルートの変化や設備の配置替え・間取り変更等に伴う電力使用状況の変化にも、エネルギー利用効率を損なうことなく容易に対応することが可能である。
（ホ）建物１内の全体の電力使用状況に応じて各電磁波伝送路10への電磁波の分配割合を調節する総合的な集中制御を行うことにより、システム全体のエネルギー利用効率の最適化を図ることも期待できる。

図１は、建物１の床スラブ２の内部に形成したデッキプレート導波管（図１２参照）を複数の電磁波伝送路10とした本発明の実施例を示す。図示例の無線電力伝送システムは、床スラブ２内に設けた複数の並列な電磁波伝送路10a、10b、10c……（デッキプレート導波管）と、デッキプレート導波管の底面（Ｈ面）側に各電磁波伝送路10a、10b、10c……と交差する向きに重ねて設けた給電導波管20と、後述する電力分配手段30a、30b、30c……とにより構成されている。以下、図示例を参照して本発明を説明するが、本発明はデッキプレート導波管を用いたシステムに限定されるものではなく、建物１の壁等の内部に並列に設けた複数の電磁波伝送路10を用いて本発明の無線電力伝送システムを構成することも可能である。また図示例では、既往のデッキプレートの寸法範囲で伝送性状が良好であり、マグネトロン等の発生装置が安価に入手できる等の理由から、2.45GHzを含む1〜10GHzのマイクロ波帯の電磁波を用いているが、本発明システムは様々な周波数の電磁波を用いた無線電力伝送に適用することができ、適用可能な電磁波の周波数にとくに制限はない。

図示例のデッキプレート導波管は、上述したように床スラブ２のデッキプレート11の底面側に金属製の遮蔽板12を接合して形成したものである。デッキプレート11と遮蔽板12とは例えば所定間隔のスポット溶接やボルト接合等を用いて接合可能であるが、デッキプレート11と遮蔽板12との間に僅かな隙間が存在すると電磁波の伝送効率が低下する。表１は、厚さ1.2mmの鉄板に亜鉛メッキを施したデッキプレート11と鉄板製遮蔽板12とを、150mm間隔のスポット溶接で接合したデッキプレート導波管の試験体、150mm間隔でボルト接合した試験体、及び全長はんだ付けで接合した試験体に、それぞれ2.45GHzの電磁波を伝送させたときの反射損失及び挿入損失を測定した実験結果である。ここで図１０（Ｄ）に示すように、反射損失とは電磁波導波路10の一端（Port1）の入射電力P1と反射電力P3とのデシベル比（＝−10log₁₀（P3/P1））であり、挿入損失とは電磁波導波路10の一端（Port1）の入射電力P1と他端（Port2）の出射電力P2とのデシベル比（＝10log₁₀（P2/P1））である。

表１の実験結果は、スポット溶接及びボルト接合のデッキプレート導波管において、亜鉛製の導波管（WRJ-2）の2.45GHzにおける減衰定数の理論値（-0.02dB/m）よりも大きな電力損失が生じることを示す。反射減衰量を差し引くと導体損又は漏れによる電力損失であると考えられるため、各試験体の大電力（500W）伝送時における温度及び漏れ電力を測定する実験を行った。その結果、全長はんだ接合の場合はほとんど発熱が検出されなかったのに対し、スポット溶接及びボルト接合の場合は接合部以外の接触導通部において大きな接触抵抗が生じ、そこに電流が流れることで発熱が生じていることが分かった。また、ダイポールアンテナを用いて接合部外側の10cmの地点で垂直方向偏波を測定した結果、受信された漏れ電力は数十μＷ〜数ｍＷ程度であり、その最大値から見積もった入力電力に対する全漏れ電力の割合は0.1％程度であった。この実験結果から、スポット溶接及びボルト接合の場合の大きな挿入損失の支配的要因は、接合部以外の接触抵抗による熱損失であることが分かった。

デッキプレート導波管の良好な伝送効率を得るためには、デッキプレート11と遮蔽板12との全長に亘る電気的接触を保つことが有効である。また、デッキプレート導波管の発熱はコンクリート劣化という観点からも望ましくない。ただし、デッキプレート11と遮蔽板12とを全長はんだ付けで接合する作業は非常に手間がかかる。そこで全長に亘る電気的接触が得られる簡易な方法を検討した結果、図１０（Ａ）に示すように、デッキプレート11と遮蔽板12との間に金属網14を介在させて電気的に接合することにより、発熱を抑えて伝送効率を向上できることを見出した。本発明者の実験によれば、同図（Ｂ）に示すようにデッキプレート11と遮蔽板12との間に金属網14を挟んだ上で両者をスポット溶接又はボルト接合することにより、デッキプレート導波管の伝送効率を全長はんだ付けと同程度まで高めることができる。また、金属網14に代えて同図（Ｃ）のような金属繊維層14を介在させた場合も同様に高い伝送効率が得られる。すなわち、デッキプレート導波管を用いて本発明の無線電力伝送システムとする場合は、金属網14又は金属繊維層14を介してデッキプレート11と遮蔽板12とを接合することが望ましい。

図示例の給電導波管20は、主導波管21と複数の分岐導波管22a、22b、22c……とを有する。主導波管21を各電磁波伝送路10a、10b、10c……と交差する向きに配置し、各分岐導波管22a、22b、22c……により主導波管21の管壁（Ｅ面）に穿たれた複数の窓25a、25b、25c……を対応する各電磁波伝送路10a、10b、10c……に電磁的に結合する。給電導波管20の電磁波は、主導波管21から分岐導波管22を経由して各電磁波伝送路10に分配される。分岐導波管22と電磁波伝送路10とは伝送効率の高い適当な方法、例えば図１（Ｂ）のように100Ｗ程度の電磁波を小さな反射で伝搬できる同軸線路34、又は同図（Ｃ）のように反射が小さく高出力の電磁波の伝搬が可能なエルボ導波管35や曲がり導波管、フレキシブル導波管等を用いて結合することができる。なお図示例の給電導波管20は主導波管21の片側のみに分岐導波管22を設けているが、分岐箇所が同一でなければ、図９（Ｂ）に示すように主導波管21の両側に分岐導波管22を設けた給電導波管20を用いることも可能である。

例えば給電導波管20をデッキプレート導波管と同一レベル（一層）で配置する方法は、一般に給電導波管20の各分岐導波管22の端面が方形であるのに対しデッキプレート導波管の各電磁波伝送路10の端面が異形（例えば台形）であるため、分岐導波管22と電磁波伝送路10との結合部に伝送損失が生じやすく、それを避けるために特殊形状の結合部材が必要となる。これに対し図示例のように給電導波管20をデッキプレート導波管と重ねて二層で配置することにより、同図（Ｂ）又は同図（Ｃ）のような伝送損失の少ない方法で分岐導波管22を電磁波伝送路10の底面に結合することが可能となる。これらの結合方法は、デッキプレート導波管の加工の手間が少ないというメリットもある。なお、同図（Ｃ）のエルボ導波管35を用いる場合は、分岐導波管22の終端を電磁波伝送路10内の反射板35aと対向させるため、分岐導波管22の幅を電磁波伝送路10の底面の開口幅と合わせる必要がある。

図示例の電力分配手段30a、30b、30c……は、それぞれ主導波管21の分岐部の窓25と対向する内壁に管内側（窓側）へ突出させて設けた誘導性壁部材31a、31b、31c……と、分岐部の窓25の周縁に窓中央側へ突出させて設けた誘導性窓周縁部材32a、32b、32c……とを有する。図示例の誘導性窓周縁部材32は、分岐部の窓25の電磁波進入方向の両側（Ｅ面）にそれぞれ設けた一対の窓周縁部材32により構成されている。図２に示すように、各分岐部の誘導性壁部材31の突出量ｘと誘導性窓周縁部材32の突出量ｍとを適切に設計することにより、各分岐部において主導波管21から分岐導波管22へ分配される電磁波の割合を定めることができる。

図示例の電力分配手段30による電磁波の分配割合を確認するため、図４に示すような３分岐の給電導波管20（幅119mm）を試作して実験を行った。図示例の給電導波管20は主導波管21と分岐導波管22とを有し、分岐導波管22の中心軸線と交差する主導波管21の対向管壁に一対のアングル部材46aと挟み板46bとにより管壁を貫通するスリット（例えば幅５mm程度）を形成し、そのスリットに挿入した鉄板を主導波管21の管内側へ突出させて誘導性壁部材31とした（同図（Ｂ）及び（Ｅ）参照）。誘導性壁部材31と分岐導波管22の中心軸線とのオフセット（図２（Ｂ）のoffset）はスリットの位置により定まる。

図４において誘導性壁部材31は、その側面に配置したリニアスライド45でスライド可能に支持することにより、管内側への突出量ｘを調節可能とした。また、主導波管21の窓25の周囲に設けたフランジ28と分岐導波管22の端部に設けたフランジ27との間に、同図（Ｆ）に示すような貫通孔付き鉄板を挟み込んで誘導性窓周縁部材32とした。誘導性窓周縁部材32の突出量ｍは、異なる貫通孔付き鉄板に差し替えることにより調節可能とした。分岐導波管22の終端側にはＮ型変換コネクタ36を介して断面台形の電磁波伝送路10を結合した。図示例の電磁波伝送路10は、同図（Ｄ）に示すように、山部が１つのデッキプレート導波管を模擬したものである。

図４の給電導波管20の主導波管21の一端（Port1、図２参照）に2.45GHzの電磁波を入射し、誘導性壁部材31の突出力ｘを０〜55mmの範囲において５mm単位で変化させながら、主導波管21の他端（Port2）との結合度C2（Port1の入射電力P1とPort2の出射電力P2とのデシベル比C2＝−10log（P2/P1））、及び電磁波伝送路10（分岐導波管22）の終端（Port3）との結合度C3（Port1の入射電力P1とPort3の出射電力P3とのデジベル比C3＝−10log（P3/P1））をそれぞれ測定した。また、主導波管21の入射端（Port1）への反射度（Port1の入射電力P1と反射電力とのデジベル比）も併せて測定した。

図３（Ａ）は、誘導性壁部材31の突出力ｘに応じた結合度C2、C3及び反射度の実験結果をプロットしたグラフである。また同図に示すように、図４の電力分配手段30の理論的な解析結果（実線）と実験結果とを比較したところ、結合度C2、C3は実験結果と解析結果とがほぼ一致していた。また反射度も、若干合わない部分が存在するものの十分小さな値であるため、実験結果と解析結果とがほぼ一致すると考えて実用上の問題はない。実験と解析との整合性を確認したのち、その解析モデルを用いて他のパラメータでの解析から同図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような解析結果を得た。同図（Ｂ）の解析結果は、誘導性窓周縁部材32の突出量ｍ＝30mm、誘導性壁部材31と分岐導波管22の中心軸線とのオフセット＝10mmとした場合に、誘導性壁部材31の突出量ｘ（5〜55mm）に応じて主導波管21と分岐導波管22との結合度C3が-10dB〜-6dBとなることを示す。また同図（Ｃ）の解析結果は、突出量ｍ＝10mm、オフセット＝35mmとした場合に、誘導性壁部材31の突出量ｘ（5〜55mm）に応じて主導波管21と分岐導波管22との結合度C3が-6dB〜-3dBとなることを示す。

図３（Ｂ）及び（Ｃ）の解析結果から、電力分配手段30の誘導性壁部材31の突出量ｘ（及びオフセット）と誘導性窓周縁部材32の突出量ｍとにより、給電導波管20の主導波管21から分岐導波管22への電磁波の分配割合を定め得ることが分かる。とくに同図（Ｃ）は、突出量ｍ＝10mm、オフセット＝35mm、突出量ｘ＝55mmとした場合に主導波管21と分岐導波管22との結合度C3が-1.25dBとなり、入射端への反射を抑制しながら主導波管21の電磁波を３／４程度の高い割合で分岐導波管22へ分配できることを示している。

すなわち本発明の無線電力伝送システムによれば、分岐部毎に誘導性壁部材31の突出量ｘと誘導性窓周縁部材32の突出量ｍとが適切に設定された電力分配手段30を用いることにより、主導波管21の電磁波を分岐部毎の突出量ｘ、ｍに応じた割合で各分岐導波管22a、22b、22c……に分配し、給電導波管20の電力を電磁波伝送路10毎に定めた割合で各電磁波伝送路10に分配することができる。例えば図１１のように各電磁波伝送路10の電力使用状況が相違する場合に、各電磁波伝送路10の電力使用量（又は電力使用予定量）に応じて電力分配手段30の突出量ｘ及び突出量ｍを設定することにより、各電磁波伝送路10を介して建物１の各部に使用に応じて無線電力を分配できる。

具体的には、例えば図１の無線電力伝送システムにおいて、給電導波管20の入射電力密度と電磁波伝送路10aの電力使用状況とに応じて電力分配手段30aの突出量x_a及び突出量m_aを設定し、電力分配手段30bへの入力電力密度（電力分配手段30aで分配されなかった電力密度）と電磁波伝送路10bの電力使用状況とに応じて電力分配手段30bの突出量x_b及び突出量m_bを設定し、更に電力分配手段30cへの入力電力密度（電力分配手段30bで分配されなかった電力密度）と電磁波伝送路10cの電力使用状況とに応じて電力分配手段30cの突出量x_c及び突出量m_cを設定する。必要に応じて分岐部毎に誘導性壁部材31のオフセットを適切に設定することにより、一層効率的な無線電力分配を実現することも期待できる。

なお図３に示すように、主導波管21から各分岐導波管22への電磁波の分配量（分岐部における結合度）は、誘導性壁部材31の突出量ｘだけでもある程度調整することができ、３／４程度の高い結合度を得ることもできる。従って図示例の無線電力伝送システムにおいて、主導波管21の分岐部の窓25a、25b、25c……の大きさを適当に設定することにより、電力分配手段30を誘導性壁部材31のみで構成することも可能である。また、無線電力伝送では使用状況によって各電磁波伝送路10a、10b、10c……に余剰電力が生じ得るので、各電磁波伝送路10a、10b、10c……の終端に余剰電力を回収する電力回収装置（例えばレクテナ付き電力回収装置）を設けることが望ましい。

好ましくは図４に示すように、電力分配手段30の各分岐部の誘導性壁部材31を突出方向に移動可動に支持すると共に、誘導性壁部材31の突出量ｘを個別に調節する突出量調節機構41を設ける。突出量調節機構41の一例を図５に示す。同図（Ａ）の突出量調節機構41は、回転軸43bを介してモータ43cに接続されたカム43aを有し、誘導性壁部材31に当接するカム43aの回転角度により誘導性壁部材31の突出量ｘを調節する。また同図（Ｂ）の突出量調節機構41は、誘導性壁部材31に固定のナット部材44bとそのネジ孔に嵌合するボールネジ44aとボールネジ44aを回転させるモータ44cとを有し、ボールネジ44aの回転角度又は回転回数により誘導性壁部材31の突出量を調節する。ただし、突出量調節機構41は図示例に限定されるものではなく、従来の適当な機構、例えばベルトと回転モータとの組み合わせ、空気圧シリンダ、クランクと回転モータ、リニアモータ等と図４のリニアスライド45とを組み合わせて突出量調節機構41とすることができる。

また、図４の誘導性壁部材31と同様に、図１の窓25の両側に設けた一対の誘導性窓周縁部材32に対しても、それを突出方向に移動可能（スライド可能）に支持すると共に、その突出量ｍを個別に調節する突出量調節機構42を設けることができる。突出量調節機構41、42によって誘導性壁部材31の突出量ｘ及び誘導性窓周縁部材32の突出量ｍを手動又は電動で適宜調節可能とすることにより、建物内の電力使用状況の変化に対応させて電磁波の分配量を適宜選択することが可能となり、各電磁波伝送路10a、10b、10c……の余剰電力を極力減らし、エネルギー効率の低下を抑制できる。また、建物１内の電力使用ルートの変化や設備配置替え、用途変更、レイアウト変更等に伴う電力使用状況の変化にも、エネルギー利用効率を損なうことなく容易に対応可能となる。

図９は、デッキプレート導波管の各電磁波伝送路10a、10b、10c……の電力使用量を個別に検出する電力計51a、51b、51c、51d……を設け、制御装置50により各電力計51a、51b、51c、51d……の出力信号に応じて電力分配手段30の各誘導性壁部材31の突出量調節機構41a、41b、41c……及び各誘導性窓周縁部材32の突出量調節機構42a、42b、42c……を個別に制御する無線電力伝送システムを示す。建物１内の局部的な電力使用状況への対応は、その部分に関係した電力分配手段30の分岐部の結合度の手動切り替え等によって対応可能である。しかし、建物１の全体又は電磁波発生装置52（図１２参照）の供給領域全体のエネルギー利用効率の最適化を図るためには、その全体の電力使用状況に基づいて電磁波発生装置52の出力と電力分配手段30の多数の分岐部結合度とを集中制御することが必要となる。図９の無線電力伝送システムによれば、建物１の全体の電力使用状況に応じて、電磁波発生装置52の出力と電磁波伝送路10の多数の分岐部結合度とを総合的に調節することが可能であり、システム全体のエネルギー利用効率の最適化を図ることが期待できる。

こうして本発明の目的である「建物内の各部分にその部分の電力使用量に応じた電磁波を分配できる建物内無線電力システム」の提供を達成できる。

図６は、デッキプレート導波管を用いた本発明の他の実施例を示す。この無線電力伝送システムも、床スラブ２内にデッキプレート導波管として設けた複数の並列な電磁波伝送路10と、デッキプレート導波管の底面（Ｈ面）側に交差させて設けた給電導波管20と、電力分配手段30a、30b、30c……とにより構成されている。給電導波管20は１本の主導波管21のみで構成されており、分岐導波管22は設けられていない。電力分配手段30a、30b、30c……は、各電磁波伝送路10a、10b、10c……と交差する給電導波管20の頂面上の交差位置に穿った給電孔38a、38b、38c……と、各電磁波伝送路10a、10b、10c……の給電孔対向位置に穿った受電孔39a、39b、39c……との組み合わせにより構成される。各給電孔38a、38b、38c……と対向する各受電孔39a、39b、39c……との重なり位置及び重なり形状を適切に設計することにより、給電導波管20から各電磁波伝送路10へ分配される電磁波の割合を定めることができる。

例えば、対向する各給電孔38a、38b、38c……と各受電孔39a、39b、39c……とを同一形状とし、それらを相互に位置合わせして重ねることにより、給電導波管20と各電磁波伝送路10a、10b、10c……との交差位置に所定形状の電力分配窓を形成する。ただし、対応する給電孔38と受電孔39とは必ずしも同一形状でなくてもよい。例えば図７に受電孔39c'として示すように、各電磁波伝送路10a、10b、10c……上の給電導波管20と交差する部位に比較的大きな受電孔39a'、39b'、39c'……を穿ち、給電導波管20の頂面上の各受電孔と対向する所定位置に比較的小さな形状の給電孔38a、38b、38c……を穿ち、各給電孔38a、38b、38c……によって電力分配窓の位置及び形状を規定することができる。また逆に、給電導波管20上に比較的大きな給電孔38a'、38b'、38c'……（図示せず）を穿ち、各電磁波伝送路10a、10b、10c……の各給電孔と対向する所定位置に穿った比較的小さな形状の受電孔39a、39b、39c……により電力分配窓の位置及び形状を規定することも可能である。

図７は、図６の無線電力伝送システムにおける電磁波の分配原理を示す。給電導波管20の入射端（Port1）から入射された電磁波は、一部分が給電孔38及び受電孔39を介して電磁波伝送路10に分配され、分配されなかった残りの電磁波は出射端（Port2）へ伝搬する。電磁波伝送路10に分配された電磁波は、一方の端（Port3）及び他方の端（Port4）へそれぞれ伝送される。同図（Ａ）は、給電導波管20と電磁波伝送路10との交差部の中央位置に所定大きさVx×Vyで重ねた給電孔38及び受電孔39を示し、同図（Ｂ）は、給電導波管20と電磁波伝送路10との交差部のPort4側位置に所定大きさVx×Vyで重ねた給電孔38及び受電孔39を示す。

図８（Ａ）は、図７（Ａ）のPort1に所定周端数の電磁波を入射した場合に、Port1と電磁波伝送路10のPort3との結合度C3（Port1の入射電力P1とPort3の出射電力P3とのデシベル比C3＝−10log（P3/P1））、及びPort1と電磁波伝送路10のPort4との結合度C4（Port1の入射電力P1とPort4の出射電力P4とのデシベル比C4＝−10log（P4/P1））を測定したグラフを示す。同グラフから、給電孔38及び受電孔39を交差部の中央位置で重ねた場合は、電磁波伝送路10のPort3とPort4とにほぼ同じ割合で電磁波が分配できることが分かる。また図８（Ｂ）は、図７（Ｂ）のPort1へ所定周端数の電磁波を入射した場合の結合度C3及び結合度C4を測定したグラフを示す。同グラフから、給電孔38及び受電孔39の位置をPort4側位置で重ねることにより、電磁波伝送路10のPort3とPort4とに異なる割合で電磁波を分配できることが分かる。また図８（Ｃ）は、図７（Ｂ）の給電孔38及び受電孔39の大きさVxの相違に応じた結合度C3及び結合度C4の変化を示す解析結果のグラフを示す。同グラフより、給電導波管20から電磁波伝送路10のPort3及びPort4への電磁波の分配割合は、給電孔38及び受電孔39の重なりの大きさに応じて定まることが分かる。

すなわち図６の無線電力伝送システムにおいても、給電孔38a、38b、38c……及び受電孔39a、39b、39c……の各々の重なり位置と重なり形状とを適切に設定することにより、給電導波管20の電磁波を交差位置毎の給電孔38及び受電孔39の重なり位置及び形状に応じた割合で各電磁波伝送路10a、10b、10c……に分配することができる。従って、図１の無線電力伝送システムと同様に、図６の無線電力伝送システムにおいても、各電磁波伝送路10の電力使用量（又は電力使用予定量）に応じて各電磁波伝送路10に無線電力を適切に分配することが可能となる。また図６のシステムは構造が簡単であり、設置作業の容易化を図ることができる利点もある。

従来から、例えば非特許文献３が開示するように、２つの導波管のＨ面を張り合わせて小さな孔で結合したベーテ孔方向性結合器が知られている。しかしベーテ孔方向性結合器は、所定向きに固定された２つの導波管の一方から他方への電磁波の分配割合を調節するものではなく、上述したように電磁波伝送路10のPort3とPort4とに異なる割合で電磁波を分配するものでもない。図６の無線電力伝送システムは、所定向きに固定された給電導波管20から各電磁波伝送路10にそれぞれ異なる所定割合（電力使用量に応じた割合）で電磁波を分配することができる点で優れており、とくにデッキプレート導波管を利用した建物内の無線電力伝送に適している。なお図６の電力伝送システムにおいても、使用状況によって各電磁波伝送路10a、10b、10c……に余剰電力が生じるので、各電磁波伝送路10a、10b、10c……の両端（Port3及びPort4）に余剰電力回収装置を設けることが望ましい。

図６の無線電力伝送システムにおいて、給電導波管20の給電孔38a、38b、38c……と電磁波伝送路10a、10b、10c……の受電孔39a、39b、39c……との重なり位置及び形状により無線電力の適切な分配が難しい場合は、給電孔38又は受電孔39に所要誘電率の誘電体47を嵌め込むことにより、各給電孔38受電孔39の重なり位置及び形状と各誘電体47の誘電率とに応じた割合で給電導波管20の電磁波を各電磁波伝送路10a、10b、10c……に分配することも可能である。また、給電孔38又は受電孔39に誘電率が可変の誘電体47を嵌め込み、各誘電体47の誘電率を個別に調節する複数の誘電率調節手段（図示せず）を設けることにより、上述した突出量調節機構41、42の場合と同様に、建物内の電力使用状況の変化に対応して電磁波の分配量を容易に調整できるシステムとし、図９のように制御装置50と組み合わせることにより建物全体の電力使用状況に基づいて電力分配手段30の多数の分岐部結合度を集中制御することも可能となる。

例えば特許文献４は温度を変化させることにより所定範囲で誘電率が変化する誘電体を開示しており、非特許文献４が開示するように誘電率を制御できる人工誘電体も開発されている。このような温度変化に応じて誘電率が可変の誘電体47、又は誘電率の制御が可能な人工誘電体47を用いることにより、突出量調節機構41、42のように機械的な操作によるのではなく、誘電率調節手段による可動部のない温度制御等によりデッキプレート導波管の各電磁波伝送路10への電力分配量を能動的に制御することも可能である。例えば温度変化に応じて誘電率が可変の誘電体47を用いた場合は、誘電率調節手段を各給電孔38又は受電孔39の周縁に設けた電気ヒータ等とし、又はその電気ヒータをレクテナ付きとして必要な電力を本発明システムにより供給することも期待できる。

誘導性壁部材及び誘導性窓周縁部材を用いた本発明の無線電力伝送システムの一実施例の説明図である。図１の実施例の性能を確認する実験装置の図式的説明図である。図１の実施例の性能確認実験の結果を示すグラフである。図１の実施例の性能を確認する実験装置の説明図である。図１の実施例における誘導性壁部材及び誘導性窓周縁部材の突出量を調節する機構の一例の説明図である。給電導波管の給電孔及び各伝送路の受電孔の重なり位置及び形状を利用した本発明の無線電力伝送システムの実施例の説明図である。図６の実施例の性能を確認する実験の図式的説明図である。図６の実施例の性能確認実験の結果を示すグラフである。複数の誘導性壁部材及び誘導性窓周縁部材の突出量を個別に制御する制御装置を設けた本発明の無線電力伝送システムの実施例の説明図である。本発明の無線電力伝送システムで用いる電磁波伝送路の説明図である。無線電力伝送システムを設けた建物の床スラブの説明図である。無線電力伝送システムを設けた建物の説明図である。

符号の説明

１…建物２…床
３…天井４…廊下
５…コンクリート６…鉄骨梁
７…内装材８…天井材
10…電磁波伝送路（デッキプレート導波管）
11…デッキプレート 12…遮蔽板
14…金属網 15…ボルト
17…フランジ 20…給電導波管
21…主導波管 22…分岐導波管
25…窓 26、27、28…フランジ
29…中継導波管 30…電力分配手段
31…誘導性壁部材 32…誘導性窓周縁部材
34…同軸線路 34a…エレメント
35…エルボ導波管 36…Ｎ型変換コネクタ
38…給電孔 39…受電孔
40…結合度調節機構
41…誘導性壁部材の突出量調節機構
42…誘導性窓周縁部材の突出量調節機構
43a…カム 43b…回転軸
43c…モータ 44a…ボールネジ
44b…ナット部材 44c…モータ
45…リニアスライド 47…誘電体
50…制御装置 51…電力計
52…電磁波発生装置 53…電力源
55…コンセントボックス 56…コンセント
57…電気機器 60…同軸プローブ
61…電線

Claims

建物の床、天井又は壁の内部に並列に設けた複数の電磁波伝送路、前記各伝送路と交差する向きに重ねて設けた給電導波管、並びに前記給電導波管の電磁波を伝送路毎に定めた割合で各伝送路に分配する電力分配手段を備えてなる建物内無線電力伝送システム。
請求項１のシステムにおいて、前記給電導波管に前記各伝送路と交差する向きに電磁波を送る主導波管とその主導波管の管壁に穿った複数の窓を各伝送路に電磁的に結合する複数の分岐導波管とを含め、前記電力分配手段を前記主導波管の各窓の対向内壁にそれぞれ管内側へ突出させて設けた誘導性壁部材とし、前記各誘導性壁部材の突出量に応じた割合で主導波管の電磁波を各分岐導波管に分配してなる建物内無線電力伝送システム。
請求項２のシステムにおいて、前記電力分配手段に前記主導波管の各窓の周縁にそれぞれ窓中央側へ突出させて設けた誘導性窓周縁部材を含め、前記各誘導性壁部材の突出量と各誘導性窓周縁部材の突出量とに応じた割合で主導波管の電磁波を各分岐導波管に分配してなる建物内無線電力伝送システム。
請求項２又は３の何れかのシステムにおいて、前記電力分配手段に、前記分岐導波管の各々と対応する伝送路の各々とを電磁的に結合する同軸線路、エルボ導波管、曲がり導波管又はフレキシブル導波管を含めてなる建物内無線電力伝送システム。
請求項２から４の何れかのシステムにおいて、前記電力分配手段に、前記各誘導性壁部材及び／又は各誘導性窓周縁部材を突出方向に移動可動に支持し且つそれらの突出量を個別に調節する複数の突出量調節機構を含めてなる建物内無線電力伝送システム。
請求項１のシステムにおいて、前記電力分配手段を前記給電導波管上の各伝送路との交差位置にそれぞれ穿った給電孔と前記各伝送路上の給電孔対向位置に穿った受電孔との組み合わせとし、前記各給電孔と受電孔との重なり位置及び形状に応じた割合で給電導波管の電磁波を各伝送路に分配してなる建物内無線電力伝送システム。
請求項６のシステムにおいて、前記電力分配手段に前記給電孔又は受電孔に嵌め込んだ所要誘電率の誘電体を含め、前記各給電孔及び受電孔の重なり位置及び形状と各誘電体の誘電率とに応じた割合で給電導波管の電磁波を各伝送路に分配してなる建物内無線電力伝送システム。
請求項７のシステムにおいて、前記誘電体を誘電率が可変のものとし、前記電力分配手段に前記各誘電体の誘電率を個別に調節する複数の誘電率調節手段を含めてなる建物内無線電力伝送システム。
請求項５又は８のシステムにおいて、前記各伝送路の電力使用量を個別に検出する複数の電力計、及び前記各電力計の出力信号に応じて前記突出量調節機構又は誘電率調節手段を個別に制御する制御装置を設けてなる建物内無線電力伝送システム。
請求項１から９の何れかのシステムにおいて、前記複数の電磁波伝送路を、建物の床スラブに埋設されたデッキプレートとそのデッキプレートの底面側に金属網又は金属繊維層を介して接合した遮蔽板とにより形成してなる建物内無線電力伝送システム。