JP2008283804A - 無線電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】室内空間で稼働する移動体に対して、無線方式で充電を行うことができる無線電力供給システムを提供する。
【解決手段】無線電力供給システムＳは、電気エネルギーをエネルギー源とする移動体２０と、移動体２０に対してマイクロ波で電気エネルギーを送信する給電装置１０とから構成されている。給電装置１０は、電力をマイクロ波に変換するマイクロ波電源装置１１と、移動体２０に向けてマイクロ波を送信する送信装置１２とを含む。移動体２０は、マイクロ波を受信する受電アンテナ２１を備える。送信装置１２はマイクロ波の送電アンテナ１２１を有し、この送電アンテナ１２１は、マイクロ波送信の指向方向を移動体２０の移動に応じて調整可能とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、室内ロボットのような移動体に、無線方式で充電を行う無線電力供給システムに関する。

室内で稼働するロボット等の移動体の多くは、その移動体が保有するバッテリーの電気エネルギーをエネルギー源としている。このバッテリーへの充電は、商用電力系統や発電機からケーブルを介して有線で行われている。通常、この充電作業は、バッテリーが消耗され尽くされる前に移動体が所定の充電スペースへ移動され、そこで移動体にケーブルが接続されることで行われる。その間、移動体の稼働は停止されることとなる。

ところで、ケーブルを用いず無線で電気エネルギーを送信する手法として、マイクロ波を用いた無線送電方式が知られている。例えば特許文献１、特許文献２には、宇宙空間におけるマイクロ波での電力供給方法が開示されている。
特開２００５−２４７１２７号公報 特開２００４−２６６９２９号公報

従来の移動体への充電方式では、充電中に移動体を稼働させることができない。ケーブルを長尺化して電力を供給しつつ移動体を稼働させる方法も考えられるが、移動体の移動範囲が自ずと制限され、また他の移動体が同じ室内空間に存在するとき、床面を這う状態で移動体に追従して動くことになる前記ケーブルが当該他の移動体の移動を妨げる懸念もある。

また、特許文献１、２に開示された無線送電方式は、実質的に障害物が存在せず、相対位置が実質的に固定化されている物体間における電力供給方法である。従って、多くの障害物が存在することが予定される室内空間において稼働し、また稼働によって存在位置が時々刻々変化する移動体への無線電力供給に、特許文献１、２の開示技術をそのまま適用しても、適切な充電を行うことはできない。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、室内空間で稼働する移動体に対して、無線方式で充電を行うことができる無線電力供給システムを提供することを目的とする。

本発明の無線電力供給システムは、電気エネルギーをエネルギー源とする移動体と、該移動体に対する給電装置とを含む無線電力供給システムであって、前記給電装置は、電力を無線波に変換する無線波発生手段と、前記移動体に対して前記無線波を送信する送信手段とを含み、前記移動体は、前記無線波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された無線波を電気エネルギーに変換する電力変換手段と、前記電気エネルギーを蓄える充電式のバッテリーとを含み、前記送信手段及び／又は受信手段は、前記無線波の送信方向及び／又は受信方向を、前記移動体の移動に応じて変更可能とされていることを特徴とする（請求項１）。

この構成によれば、送信手段から受信手段への無線波の送信により、移動体が備えているバッテリーが充電される。そして、送信手段及び／又は受信手段は、無線波の送信方向及び／又は受信方向を、移動体の移動に応じて変更可能とされているので、移動体が移動している状態でも、つまり移動体が稼働している状態でも、移動体に対する充電動作を行うことができる。

上記構成において、前記送信手段は、無線波を所定の指向方向に放射するアンテナと、該アンテナを保持する保持架台と、該保持架台を駆動することで前記指向方向を調整する駆動手段とを備えることが望ましい（請求項２）。

この構成によれば、保持架台が駆動手段で駆動されることによって、アンテナから送信される無線波の指向方向が調整される。このため、移動体の移動に追従させて無線波を送信するためのメカ機構を簡易に構築することができる。

この場合、前記移動体は、床、壁及び天井で区画される室内において移動するものであって、前記送信手段は、前記床、壁又は天井に組み込まれることが望ましい（請求項３）。

この構成によれば、室内空間で移動する移動体に対して、その移動を妨げることなく確実に給電することができる。

上記構成において、前記移動体が、自身の位置情報を取得させるための位置信号を発信する位置信号発生手段を備え、前記給電装置が、前記位置信号を受信して前記移動体の現在位置を特定する位置検知手段を備え、前記駆動手段は、検知された移動体の現在位置の方向に前記アンテナの指向方向が向かうように、前記保持架台を駆動することが望ましい（請求項４）。

この構成によれば、移動体の存在位置を常時把握し、移動体の現在位置に応じた方向にアンテナの指向方向が向かわせて無線波を送信できるので、ロスの少ない給電を行わせることができる。

上記構成において、前記給電装置が、無線波の送信状態を制御する送信制御手段を備え、前記移動体が、前記バッテリーの充電状態に応じて、充電を要求する第１信号又は充電の停止を要求する第２信号を発信する充電検知手段を備え、前記送信制御手段は、前記第１信号が与えられたとき無線波の送信を開始させ、前記第２信号が与えられたとき無線波の送信を停止させることが望ましい（請求項５）。

この構成によれば、無線波の送信開始及び停止を、バッテリーの充電状態に関連付けて適確に行うことができる。

本発明の無線電力供給システムによれば、移動体が稼働している状態でも、移動体に対する充電動作を行うことができるので、充電動作のために移動体の移動範囲や稼働時間が制限されない。また、ケーブルを用いないので、移動体の移動自由度を十分に担保することができる。従って、障害物が多く存在する室内等において、稼働によって存在位置が時々刻々変化する移動体へ適確に充電できるシステムを構築することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態につき詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線電力供給システムＳの構成を簡略的に示す構成図である。この無線電力供給システムＳは、床１０１、壁１０２及び天井１０３で区画される室内１００において移動するロボットに対して、マイクロ波で無線電力供給を行うことを想定したシステムである。無線電力供給システムＳは、電気エネルギーをエネルギー源とする移動体２０（ロボット）と、移動体２０に対して無線（マイクロ波）で電気エネルギーを送信する給電装置１０とを含んで構成されている。

給電装置１０は、電力をマイクロ波に変換するマイクロ波電源装置１１（無線波発生手段）と、移動体２０に向けてマイクロ波を送信する送信装置１２（送信手段）と、移動体２０との無線通信のための通信アンテナ３１とを含んでいる。

マイクロ波電源装置１１は、筐体１０Ａ内に収納され、天井裏などの適所に配置される。送信装置１２は、マイクロ波を所定の指向方向に放射する送電アンテナ１２１を備え、天井１０３に組み付けられている。この送電アンテナ１２１は、マイクロ波送信の指向方向を、移動体２０の移動に応じて調整可能とされている。なお、送信装置１２は、壁１０２の適所に配置しても良く、或いは床１０１の移動体２０の移動を妨げないような適所に配置するようにしても良い。

移動体２０は、図１では室内１００の床１０１を二足歩行する人型ロボットを例示している。この他、移動体２０としては、四足歩行する動物型ロボット、車輪走行する自走車、誘導経路上を移動する移動機器などを例示することができる。移動体２０は、マイクロ波を受信する受電アンテナ２１（受信手段）と、給電装置１０との無線通信のための通信アンテナ３２とを含んでいる。受電アンテナ２１は、ここでは固定式のものを例示するが、マイクロ波の受信方向を、移動体２０の移動に応じて変更可能な機構を具備させるようにしても良い。

図２は、無線電力供給システムＳの電気的構成を示すブロック図である。図２に示すように、給電装置１０は、マイクロ波電源装置１１、送信装置１２、無線通信部１３、位置検知部１４（位置検知手段）及び全体制御部１５を備えている。また、移動体２０は、電力変換部２２（電力変換手段）、バッテリー２３、ロボット機構部２４、充電検知部２５（充電検知手段）、無線通信部２６及び位置信号発生部２７（位置信号発生手段）を備えている。

マイクロ波電源装置１１は、電源１１１、マイクロ波発生装置１１２及びマイクロ波発生制御部１１３を含む。電源１１１は、マイクロ波を生成するための電力を発生する電源装置であり、所定電圧の交流電力をマイクロ波発生装置１１２に供給する。マイクロ波発生装置１１２は、前記交流電力を所定強度のマイクロ波電力に変換する装置であって、マグネトロン等の高周波発生源、マイクロ波の出力強度を調整するアンプ等を含んで構成されている。マイクロ波発生制御部１１３は、マイクロ波発生装置１１２から出力されるマイクロ波のＯＮ−ＯＦＦ制御や出力強度制御等を行うもので、所定のパルス信号を生成してマイクロ波発生の動作制御を行う。

送信装置１２は、上述の送電アンテナ１２１のほか、該送電アンテナ１２１を一体的に保持する球状の保持架台１２２と、この保持架台１２２を駆動することでマイクロ波送信の指向方向を調整する第１アクチュエータ１２３及び第２アクチュエータ１２４（駆動手段）と、これらアクチュエータの動作を制御する駆動制御部１２５とを備える。

第１アクチュエータ１２３及び第２アクチュエータ１２４は、ステッピングモータ等からなり、各々図略のギア機構を介して保持架台１２２と係合されている。第１アクチュエータ１２３は、保持架台１２２に対して図中ｘ軸回りの回転力を与える。一方、第２アクチュエータ１２４は、保持架台１２２に対して前記ｘ軸と直交するｙ軸回りの回転力を与える。これにより保持架台１２２で保持された送電アンテナ１２１は、室内１００のいずれの方位にも指向可能とされている。駆動制御部１２５は、第１アクチュエータ１２３及び第２アクチュエータ１２４にそれぞれ駆動パルスを与え、送電アンテナ１２１が所望の方向を指向するように両アクチュエータを駆動する。

無線通信部１３は、通信アンテナ３１を介して移動体２０と無線でデータ通信を行うための機能部である。本実施形態では、後述するバッテリー２３の充電状態に関する情報、移動体２０の位置情報などを取得する機能を果たす。なお、この無線通信部１３を介して、ロボットの動作指令信号を送信するようにしても良い。

位置検知部１４は、方位センサ機能、距離センサ機能を備え、後述の移動体２０の位置信号発生部２７にて発生される位置信号の受信データに基づいて、移動体２０の現在位置を特定する処理を行う。

全体制御部１５は、給電装置１０全体の動作を司る制御部である。全体制御部１５は、移動体２０の側から充電を要求する第１信号が送信され無線通信部１３がこれを受信したとき、マイクロ波発生制御部１１３にマイクロ波を発生させる制御信号を与える。これを受けて、マイクロ波発生装置１１２にてマイクロ波が生成され、送電アンテナ１２１からマイクロ波Ｍが放射される。また、全体制御部１５は、移動体２０から充電の停止を要求する第２信号を受信したとき、マイクロ波発生制御部１１３にマイクロ波の発生を停止させる制御信号を与え、送電アンテナ１２１からのマイクロ波Ｍの放射を停止させる。

さらに全体制御部１５は、前記第１信号が受信された場合に、位置検知部１４により特定された移動体２０の現在位置に送電アンテナ１２１が指向するよう、駆動制御部１２５に目標位置信号を与える。これを受けて駆動制御部１２５は、例えばサーボ制御に従って第１アクチュエータ１２３及び第２アクチュエータ１２４に駆動パルスを与えて保持架台１２２を駆動させ、送電アンテナ１２１を移動体２０へ指向させる。

移動体２０の電力変換部２２は、受電アンテナ２１で受信されたマイクロ波を直流電力に変換する機能部である。なお、受電アンテナ２１及び電力変換部２２の機能を果たす装置として、ショットキーダイオードのような整流素子をダイポールアンテナの間に配置してなるレクテナを用いることができる。

バッテリー２３は、電力変換部２２に接続された充電式のバッテリーであり、電力変換部２２で変換された直流電力によって充電される。このバッテリー２３は、移動体２０の動作電源として利用される。

ロボット機構部２４は、移動体２０の機械的な動作を担う機構部分であり、ロボット駆動機構２４１、駆動源２４２及びロボット制御部２４３を備える。ロボット駆動機構２４１は屈伸機構、伸縮機構、歩行機構などを含み、ロボットの動きを実現させるメカニカルな機構部である。駆動源２４２は、各種のモータやアクチュエータ等からなり、ロボット駆動機構２４１を駆動する。ロボット制御部２４３は、駆動源２４２に駆動制御信号を与え、移動体２０の機械的な動作を制御する。

充電検知部２５は、バッテリー２３の充電状態を検知する。充電検知部２５は、バッテリー２３の充電状態が所定の閾値以下になると充電を要求する第１信号を出力し、バッテリー２３が満充電とされたときに充電の停止を要求する第２信号を出力する。これら第１信号及び第２信号は、無線通信部２６及び通信アンテナ３２を介して給電装置１０に向けて送信される。

無線通信部２６は、通信アンテナ３２を介して給電装置１０と無線でデータ通信を行うための機能部である。

位置信号発生部２７は、移動体２０の現在位置情報を位置検知部１４に取得させるために、所定の位置信号を発生する。この位置信号は、無線通信部２６及び通信アンテナを介して給電装置１０に向けて送信される。

次に、以上の通り構成された無線電力供給システムＳの動作を、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。処理が開始されると、予め設定されたサンプリング周期で、充電検知部２５によりバッテリー２３の充電状態が検知される（ステップＳ１）。そして、バッテリー２３の充電状態を示す値と所定の閾値とを対比することによって、バッテリー２３の充電が必要であるか否かが判定される（ステップＳ２）。

充電が不要であると判定された場合（ステップＳ２でＮＯ）、充電検知部２５は特段信号を出力せず、ステップＳ１に戻って処理が繰り返される。これに対し、充電が必要であると判定された場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、充電検知部２５は、充電を要求する第１信号（送電許可信号）を出力し、これが無線通信部２６及び通信アンテナ３２を介して給電装置１０に送信される（ステップＳ３）。

かかる送電許可信号は通信アンテナ３１で受信され、無線通信部１３を介して全体制御部１５へ入力される。これを受けて全体制御部１５は、マイクロ波発生制御部１１３にマイクロ波を発生させる制御信号を与え、マイクロ波発生装置１１２を起動させてマイクロ波送信のスタンバイ状態とする（ステップＳ４）。さらに全体制御部１５は、位置検知部１４に移動体２０の位置情報を出力させ、移動体２０の現在位置を特定する（ステップＳ５）。

次に全体制御部１５は、送電アンテナ１２１の現在の指向方向データと、移動体２０の現在位置データとを比較して両者のズレ量を求めることで、送電アンテナ１２１の移動が必要であるか否かを判定する（ステップＳ６）。移動が必要である場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、全体制御部１５は駆動制御部１２５に目標位置信号を与える。駆動制御部１２５は、第１アクチュエータ１２３及び第２アクチュエータ１２４を稼働させて、送電アンテナ１２１の指向方向を移動体２０の現在位置に合わせて調整する（ステップＳ７）。なお、移動が必要でない場合（ステップＳ６でＮＯ）、このステップＳ７はスキップされる。

しかる後、送電アンテナ１２１からマイクロ波の送信が開始される（ステップＳ８）。このマイクロ波は受電アンテナ２１で受信され、電力変換部２２で直流電力に変換された上でバッテリー２３へ充電される。この充電期間中にも、所定のサンプリング周期で、充電検知部２５によりバッテリー２３の充電状態が検知される（ステップＳ９）。そして、バッテリー２３の充電が完了したか否かが判定される（ステップＳ１０）。

充電が未完了である場合（ステップＳ１０でＮＯ）、全体制御部１５は位置検知部１４から移動体２０の位置情報を取得し（ステップＳ１１）、送電アンテナ１２１の移動が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。これは、充電中における移動体２０の移動を考慮したものである。移動が必要である場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、全体制御部１５は駆動制御部１２５を介して第１アクチュエータ１２３及び第２アクチュエータ１２４を稼働させて、送電アンテナ１２１の指向方向を調整する（ステップＳ１３）。その後、ステップＳ９に戻って処理を繰り返す。なお、移動が必要でない場合（ステップＳ１２でＮＯ）、このステップＳ１３はスキップされる。

充電が完了した場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）、充電検知部２５は、充電の停止を要求する第２信号（送電停止信号）を出力し、これが無線通信部２６及び通信アンテナ３２を介して給電装置１０に送信される（ステップＳ１４）。これを受けて全体制御部１５は、マイクロ波発生制御部１１３にマイクロ波発生を停止させる制御信号を与え、マイクロ波発生装置１１２の動作を停止させる（ステップＳ１５）。以後、ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。

以上説明した本実施形態に係る無線電力供給システムＳによれば、移動体２０が稼働している状態でも、移動体２０に対する充電動作を行うことができるので、充電動作のために移動体２０の移動範囲や稼働時間が制限されない。また、ケーブルを用いないので、移動体２０の移動自由度を十分に担保することができる。従って、障害物が多く存在する室内１００において、稼働によって存在位置が時々刻々変化する移動体２０へ適確に充電できる。

以上、本発明の実施形態の一つについて説明したが、本発明は上記実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の一実施形態に係る無線電力供給システムＳの構成を簡略的に示す構成図である。 無線電力供給システムＳの電気的構成を示すブロック図である。 無線電力供給システムＳの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 給電装置
１１ マイクロ波電源装置（無線波発生手段）
１１１ 電源
１１２ マイクロ波発生装置
１１３ マイクロ波発生制御部
１２ 送信装置（送信手段）
１２１ 送電アンテナ（アンテナ）
１２２ 保持架台
１２３ 第１アクチュエータ（駆動手段）
１２４ 第２アクチュエータ（駆動手段）
１３ 無線通信部
１４ 位置検知部（位置検知手段）
１５ 全体制御部
２０ 移動体
２１ 受電アンテナ（受信手段）
２２ 電力変換部（電力変換手段）
２３ バッテリー
２４ ロボット機構部
２５ 充電検知部（充電検知手段）
２６ 無線通信部
２７ 位置信号発生部（位置信号発生手段）
１００ 室内
Ｓ 無線電力供給システム

Claims (5)

1. 電気エネルギーをエネルギー源とする移動体と、該移動体に対する給電装置とを含む無線電力供給システムであって、
   前記給電装置は、電力を無線波に変換する無線波発生手段と、前記移動体に対して前記無線波を送信する送信手段とを含み、
   前記移動体は、前記無線波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された無線波を電気エネルギーに変換する電力変換手段と、前記電気エネルギーを蓄える充電式のバッテリーとを含み、
   前記送信手段及び／又は受信手段は、前記無線波の送信方向及び／又は受信方向を、前記移動体の移動に応じて変更可能とされていることを特徴とする無線電力供給システム。
2. 前記送信手段は、無線波を所定の指向方向に放射するアンテナと、該アンテナを保持する保持架台と、該保持架台を駆動することで前記指向方向を調整する駆動手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。
3. 前記移動体は、床、壁及び天井で区画される室内において移動するものであって、
   前記送信手段は、前記床、壁又は天井に組み込まれることを特徴とする請求項２に記載の無線電力供給システム。
4. 前記移動体が、自身の位置情報を取得させるための位置信号を発信する位置信号発生手段を備え、
   前記給電装置が、前記位置信号を受信して前記移動体の現在位置を特定する位置検知手段を備え、
   前記駆動手段は、検知された移動体の現在位置の方向に前記アンテナの指向方向が向かうように、前記保持架台を駆動することを特徴とする請求項２に記載の無線電力供給システム。
5. 前記給電装置が、無線波の送信状態を制御する送信制御手段を備え、
   前記移動体が、前記バッテリーの充電状態に応じて、充電を要求する第１信号又は充電の停止を要求する第２信号を発信する充電検知手段を備え、
   前記送信制御手段は、前記第１信号が与えられたとき無線波の送信を開始させ、前記第２信号が与えられたとき無線波の送信を停止させることを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。

Images