JP2019170036A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】方向追随性が高く、低コストで小型な電力伝送システムを実現すること。【解決手段】電力伝送システムは、送電システム１と、受電システム２と、によって構成されている。送電システム１が送信する電力電波と受電システム２が送信する方向検出用信号は同一周波数である。送電システム１は、受電システム２からの方向検出用信号を受信する。そして、方向検出用信号から受電システム２の方向を検出する。送電システム１は受電システム２の方向にビームを向けて電力電波を送信する。ここで、電力電波は、電力の送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２を交互に繰り返すように制御する。電力電波の送信の停止期間Ｔ２中に受電システム２からの方向検出用信号を受信することで、高精度に受電システム２の方向を検出することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を用いて電力の伝送を行う電力伝送システムに関するものであり、特にレトロディレクティブ方式を用いるものに関する。

電力をマイクロ波などの電磁波に変換して送信し、これを受信することで電力を伝送する無線送電システムが知られている（たとえば特許文献１、非特許文献１）。

この送電システムにおいて送電側に対して移動している移動体に電力を伝送する場合、移動体へと効率的に電力を供給するためには、送電方向を随時移動体へと向ける必要がある。

このような送電方向を移動体に追随させる方式として、レトロディレクティブ方式と呼ばれているものがある。これは次のような方式である。移動体側から送電側に信号を送信し、送電側がその信号を受信して移動体の位置や方向を検出する。たとえば、複数のアンテナにより移動体からの信号を検出し位相差から方向を検出する。そして、検出した方向に向けて送電を行う。

また、バンアッタアレーアンテナ（たとえば特許文献２）を用いることも考えられる。このアンテナは、複数のアンテナ素子を対称に配置して、対となる２つのアンテナ素子を伝送路で接続し、その伝送路も対称にした構造である。そして、あるアンテナ素子で受信した信号を対となるアンテナ素子から送信することで、信号を受信した方向にそのまま自動的に送信することができるアンテナである。

特許第５３３６７０９号 米国特許第２９０８００２号明細書

篠原真毅 他、通信用マイクロ波技術を応用したＳＰＳ用送受電装置、信学技報ＳＰＳ２００５年７月

しかし、特許文献２のバンアッタアレーアンテナでは、移動体からの信号の周波数と、送電する電磁波の周波数は同一であり、アンテナ素子間の結合の影響が大きい場合、移動体からの信号に対して送電電波のレベルが大幅に大きいと、移動体からの信号の有無を検出できない問題があり、送電方向の精度に問題があった。

この問題を解決するため、移動体からの信号の周波数と、送電する電磁波の周波数とを異なるものとし、干渉を低減することが検討されている。しかし、この方法では、２つの周波数それぞれの送受電システム、アンテナを準備する必要があるため、システムが複雑となり、高コスト化や装置サイズの大型化を招く問題があった。

そこで本発明の目的は、方向追随性が高く、低コストで小型なレトロディレクティブ方式の電力伝送システムを実現することである。

本発明は、電力を電磁波として送信する送電システムと、送電システムから送信された電磁波を受信する受電システムと、を有する電力伝送システムにおいて、受電システムは、送電システムからの電磁波と同一周波数の方向検出用信号を送電システムに送信する信号送信部を有し、送電システムは、受電システムからの方向検出用信号を受信する信号受信部と、電磁波の送信と停止を交互に繰り返すように制御し、その停止期間中に信号受信部により受信した方向検出用信号に基づき受電システムの方向を検出し、送信する電磁波の方向を、その検出した受電システムの方向に制御する制御部と、を有する、ことを特徴とする電力伝送システムである。

制御部による方向の検出は、各種の手法を用いることができる。特に、制御部は、複数のアンテナ素子によって方向検出用信号を受信して、各アンテナ素子で受信した方向検出用信号の位相差により受電システムの方向を検出するものが好ましい。受電システムの方向を精度よく検出することができる。また、方向検出用信号は、受電システムの位置情報を含み、制御部は、信号に基づく送電システムの位置情報によって受電システムの方向を検出するものであってもよい。同様に受電システムの方向を高精度に検出することができる。

制御部は、方向検出用信号に基づき受電システムの角速度を検出し、角速度が大きいほど電磁波の送信時間が短くするように制御するとよい。電力の送信方向の追随性が向上し、より高効率に電力を送信することができる。特に、角速度と電磁波の送信時間とが反比例するように制御するとよい。

受電システムは、送電システムからの電磁波を受信したときにその電力を用いて方向検出用信号を生成し、方向検出用信号の送信タイミングを一定時間遅らせることで、電磁波を受信していない期間に方向検出用信号を送信するようにしてもよい。送信タイミングを遅らせる方法としては、蓄電池を用いたり、遅延回路を設けるなどがある。このようなシステムは、受電システムに電源の余裕がないシステム、たとえばセンサーネットワーク向け小電力センサの駆動に好適である。

受電システムは、アレーアンテナにより電磁波を受信し、アレーアンテナのうち１つのアンテナ素子を用いて方向検出用信号を送信するのが好ましい。これにより、受電を効率的に行うことができるとともに、方向検出用信号を送電システムに効率的に送信することができる。

電磁波および方向検出用信号の周波数は任意であるが、マイクロ波を用いることが好ましい。マイクロ波は大気による散乱の影響を受けにくく、より効率的に送電することができる。

本発明によれば、送電停止期間中に移動体からの信号を干渉なく受信することができるので、送電方向を高精度とすることができ、低コストで小型な電力伝送システムを実現することができる。

実施例１の電力伝送システムの構成を示した図。 送電システム１の構成を示した図。 電力電波の送信タイミングを模式的に示した図。 送信期間Ｔ１の長さと平均送信電力の関係を模式的に示したグラフ。 送信期間Ｔ１の長さと受電システム２への追従性能の関係を模式的に示したグラフ。 受電システム２の移動方向と送電システム１の位置の関係を示した図。 電力電波の送信タイミングを模式的に示した図。 受電システム２の移動方向と送電システム１の位置の関係を示した図。 電力電波の送信タイミングを模式的に示した図。 第１制御部１３の構成を示した図。 実施例２の電力伝送システムにおける受電システムの構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の電力伝送システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の電力伝送システムは、送電システム１と、受電システム２と、によって構成され、送電システム１から受電システム２へと電磁波を電力として伝送するシステムである。図２は、送電システム１のより詳細な構成を示した図である。

（送電システム１の構成）
送電システム１は、第１アンテナ１０と、電力送信部１１と、信号受信部１２と、第１制御部１３と、によって構成されている。

第１アンテナ１０は、サーキュレータ１４により送受共用とされたアンテナであり、受電システム２に対して電力電波を送信するとともに、受電システム２からの方向検出用信号を受信するアンテナである。電力電波と方向検出用信号は同一周波数であり、たとえばマイクロ波である。また、第１アンテナ１０は、複数のアンテナ素子が二次元的に配列された構造のアレーアンテナであり、第１制御部による位相制御によって電力電波の送信方向を制御可能となっている。第１アンテナ１０は、たとえばマイクロストリップアレーアンテナである。

電力送信部１１は、サーキュレータ１４と第１制御部１３に接続されており、第１制御部１３による制御によって電力電波を生成する。そして、電力電波をサーキュレータ１４を介して第１アンテナ１０へと伝送させ、第１アンテナ１０から放射させる。また、第１アンテナ１０の各アンテナ素子への電力電波は、それぞれ所定の位相差となるように設定されている。これにより、第１アンテナ１０から放射される電力電波が所定の方向にビームを形成するようにしている。

信号受信部１２は、サーキュレータ１４と第１制御部１３に接続されており、第１アンテナ１０からの方向検出用信号をサーキュレータ１４を介して受信する。そして、受信した方向検出用信号の位相を検出し、その位相は第１制御部１３に入力される。

第１制御部１３は、所定のタイミングで電力電波の送信と停止を交互に繰り返えすように電力送信部１１を制御する（図３参照）。電力電波の送信停止期間に受信した方向検出用信号に基づき、その方向検出用信号の到来方向を検出する。そして、電力電波の送信方向がその到来方向となるように電力送信部１１を制御する。

ここで、方向検出用信号の到来方向の検出は、第１アンテナ１０の各アンテナ素子で受信した各方向検出用信号の位相差により検出する。また、電力電波の送信方向は、第１アンテナ１０の各アンテナ素子から送信する各電力電波の位相差により制御する。

このように、電力電波の送信と停止を交互に繰り返すように制御することで、電力電波と方向検出用信号が同一周波数であっても、電力電波の停止期間中に干渉することなく方向検出用信号を受信することができ、精度よく受電システム２の方向を検出することができる。電力電波と方向検出用信号とで同一周波数とすることができるので、電力伝送システムの構成を簡略化することができ、低コスト化を図ることができる。

電力電波の送信期間Ｔ１は一定ではなく、受電システム２の送電システム１から見た角速度ωに応じて後述のように設定する。電力電波の停止期間Ｔ２は一定であり、方向検出用信号を受信して受電システム２の方向を検出するために十分な時間であれば任意でよい。ただし、停止期間Ｔ２が長くなるとその分送信期間Ｔ１の割合が低下し、送電効率が悪化してしまうので、方向検出可能な範囲でなるべく停止期間Ｔ２を短くすることが好ましい。たとえば、停止期間Ｔ２は０．０１秒である。

送信期間Ｔ１は、受電システム２の角速度ωに反比例するように設定する。すなわち、Ｔ１×ω＝Ａとなるように送信期間Ｔ１を設定する。ここで比例定数Ａはたとえば０．１とする。ただし比例定数Ａは必ずしもこの値でなくともよい。比例定数Ａの最適値は、電力電波のビーム幅に依存するため、対象のシステムに応じて比例定数Ａを設定すればよい。具体的には、受電システム２は送信期間Ｔ１の間にＡ（ｒａｄ）移動するため、送電システム１が送信する電力電波のビーム幅がＡ（ｒａｄ）以上のシステムであれば、受電システム２を継続的に補足することができる。たとえば、角速度ω＝１ｒａｄ／ｓ、Ａ＝０．１の場合、Ｔ１＝Ａ／ω＝０．１（ｓ）であり、０．１秒間に受電システム２は０．１ｒａｄ（約６°）移動する。よって、電力電波のビーム幅が６°以上のシステムであれば、受電システム２を補足することができる。

送信期間Ｔ１をこのように設定する理由は次の通りである。図４は、送信期間Ｔ１の長さと平均送信電力の関係を模式的に示したグラフである。また、図５は、送信期間Ｔ１の長さと受電システム２への追従性能（送信方向更新頻度）の関係を模式的に示したグラフである。図４、５のように、送信期間Ｔ１が長くなると平均送信電力は増大するが、逆に追従性能は減少していき、トレードオフの関係になっている。

受電システム２の角速度ωが小さい場合、送電システム１から見て受電システム２の方向の変化は小さく、送信期間Ｔ１の間に受電システム２の方向が大きく変化してしまうことはない。そのため、送信期間Ｔ１をある程度大きくしてもさほど追従性能は低下せず、図４のように送信電力を大きくすることができる。

一方、受電システム２の角速度ωが大きい場合、送電システム１から見て受電システム２の方向の変化は大きく、送信期間Ｔ１の間に受電システム２の方向が大きく変化してしまう。そのため、角速度ωが小さい場合と同様の追従性能を維持するためには、図５に示すように、送信期間Ｔ１を短くする必要がある。

このように、受電システム２が移動している場合に効率的に送電するためには、受電システム２の角速度ωに応じて送信期間Ｔ１を変化させる必要があり、角速度ωが大きいほど送信期間Ｔ１を短くする必要がある。これを満たすように送信期間Ｔ１を簡易に設定する方法として、実施例１では、送信期間Ｔ１が受電システム２の角速度ωに反比例するように設定している。

角速度ωは、前回検出した受電システム２の方向と、今回検出した受電システム２の方向の時間変化により求める。すなわち、前回検出した時刻をｔ１、方向をθ（ｔ１）、今回検出した時刻をｔ２、方向をθ（ｔ２）として、（θ（ｔ２）−θ（ｔ１））／（ｔ２−ｔ１）により角速度ωを求める。実施例１では、方向θは第１アンテナ１０の各アンテナ素子で受信した各方向検出用信号の位相差により検出するので、位相差の時間変化により角速度ωが求まる。

なお、必ずしも送信期間Ｔ１が角速度ωに反比例するように設定する必要はなく、角速度ωが大きいほど送信期間Ｔ１が短くなるように設定すれば、同様に受電システム２への方向追従性を向上させることができ、効率的な送電を行うことができる。また、送信期間Ｔ１を一定としてもよいが、受電システム２への方向追従性が低下する可能性があり、上記のように受電システム２の角速度ωに応じて送信期間Ｔ１を設定する方が好ましい。

次に、送信期間Ｔ１の設定の具体例を示す。まず、受電システム２が停止している場合について説明する。この場合、角速度ωは０であるため、送信期間Ｔ１は無限大となり、受電システム２が電力を必要としなくなるまで、あるいは送電システム１の送電エネルギーがなくなるまで、送信を継続する。ただし、送信期間Ｔ１を無限大とすると、送信期間Ｔ１中に方向検出用信号を受信して方向を検出することになるため、方向の検出精度が悪化する。そのため、停止していた受電システム２が移動を開始したときの方向追従性が悪化してしまう。そこで、送信期間Ｔ１に上限を設けておき、停止期間Ｔ２を確保して方向検出用信号を受信できるようにし、受電システム２の移動開始を精度よく検出できるようにしてもよい。

次に、図６のように、受電システム２が直線的に移動し、その直線上とは異なる位置に送電システム１が存在する場合について説明する。この場合、送電システム１から見て受電システム２の角速度ωが変化する。送電システム１と受電システム２の距離が離れている場合には角速度ωが小さく、送信期間Ｔ１は長くなる。一方、送電システム１と受電システム２の距離が近くなると角速度ωが大きくなり、送信期間Ｔ１は短くなる。送電システム１と受電システム２の距離が最も短くなるときの時刻をｔ０とすると、電力の送信、停止の動作は図７のようになる。

次に、図８のように、受電システム２が直線的に移動し、その直線上に送電システム１が存在する場合について説明する。この場合、角速度ωは０であるため、送信期間Ｔ１は無限大となり、受電システム２が停止している場合と同様の動作となる。しかし、実際上は完全に角速度ωが０となることはなく、微小な角速度ωが検出される。その結果、図９に示すように、十分に長い送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２とが交互に繰り返す動作となる。

図２は、送電システム１の構成をより詳細に示した図である。説明の簡単のため、第１アンテナ１０のアンテナ素子数が２の場合について説明する。

図２のように、第１アンテナ１０は、アンテナ素子１００Ａ、Ｂの２つからなる。アンテナ素子１００Ａ、Ｂはそれぞれサーキュレータ１４０Ａ、Ｂに接続されている。アンテナ素子１００Ａ、Ｂにより受信した方向検出用信号は、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂにそれぞれ入力される。電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂは信号受信部１２に相当する。

電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂは、それぞれ位相比較器１２１Ａ、Ｂと、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１２２Ａ、Ｂと、電圧保持器１２３Ａ、Ｂと、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと、スイッチ１２５Ａ、Ｂと、によって構成され、この順にループ状に接続されている。

スイッチ１２５Ａ、Ｂは、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間の接続と、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間の接続を切り替えるものであり、その接続切り替えは第１制御部１３によって制御される。電圧制御発信器１２４Ａとサーキュレータ１４０Ｂ、電圧制御発信器１２４Ｂとサーキュレータ１４０Ａの接続である点に留意する。電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間を接続する期間は、電力の送信期間Ｔ１に対応し、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続する期間は、電力送信の停止期間Ｔ２に対応する。

ＬＰＦ１２２Ａ、Ｂは第１制御部１３にも接続されている。スイッチ１２５Ａとサーキュレータ１４０Ｂとの間には増幅器１１０Ｂが挿入されており、スイッチ１２５Ｂとサーキュレータ１４０Ａとの間には増幅器１１０Ａが挿入されている。増幅器１１０Ａ、Ｂは、電力送信部１１に相当する。

ここで、スイッチ１２５Ａ、Ｂが、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続し、ループが形成されている場合の動作は次の通りである。アンテナ素子１００Ａにより受信した方向検出用信号の位相をφ１、アンテナ素子１００Ｂにより受信した方向検出用信号の位相をφ１＋θとする。サーキュレータ１４０Ａ、Ｂからの方向検出用信号は、位相比較器１２１Ａ、Ｂにそれぞれ入力される。ＬＰＦ１２２Ａ、Ｂからは方向検出用信号の位相φ１、φ１＋θに比例した出力電圧Ｖ１、Ｖ２がそれぞれ出力され、第１制御部１３と電圧保持器１２３Ａ、Ｂにそれぞれ入力される。電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂは、電圧保持器１２３Ａ、Ｂに保持された出力電圧Ｖ１、Ｖ２に基づき、方向検出用信号と同一周波数で位相がφ１、φ１＋θの信号をそれぞれ生成する。そして、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂからの信号は位相比較器１２１Ａ、Ｂに入力される。これにより、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａでは位相φ１に、電圧制御発信器１２４Ｂでは位相φ１＋θにロックされる。

図１０は、第１制御部１３のより具体的な構成を示した図である。図１０のように、第１制御部１３は、電圧差計算部１３０と、記憶部１３１と、変化速度計算部１３２と、スイッチ制御部１３３と、によって構成されている。

電圧差計算部１３０には、ＬＰＦ１２２Ａ、Ｂからの出力電圧Ｖ１、Ｖ２がそれぞれ入力される。電圧差計算部１３０は、電圧差ΔＶ＝｜Ｖ１−Ｖ２｜を算出する。Ｖ１、Ｖ２はアンテナ素子１００Ａ、Ｂで受信した各方向検出用信号の位相φ１、φ１＋θに比例するので、ΔＶは、位相差θに比例した値である。電圧差計算部１３０により算出された電圧差ΔＶは、記憶部１３１と変化速度計算部１３２に入力される。

変化速度計算部１３２は、現時刻ｔ２における電圧差ΔＶ（ｔ２）と、記憶部１３１に記憶された前回の時刻ｔ１における電圧差ΔＶ（ｔ１）とから、電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔ＝（ΔＶ（ｔ２）−ΔＶ（ｔ１））／（ｔ２−ｔ１）を算出する。電圧差ΔＶの時間変化は位相差θの時間変化であり、位相差θは受電システム２の方向を表すので、電圧差ΔＶの時間変化は受電システム２の角速度ωを示している。算出された電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔはスイッチ制御部１３３に入力される。

スイッチ制御部１３３は、電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔに基づき、スイッチ１２５Ａ、Ｂの接続の切り替えを行うための制御信号を生成する。制御信号によるスイッチ１２５Ａ、Ｂの切り替え制御により、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間を接続する期間と、電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続する期間とを交互に繰り返す。

電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂと位相比較器１２１Ａ、Ｂとの間を接続する期間は、電力送信の停止期間Ｔ２に対応し、一定の時間とする。停止期間Ｔ２中、方向検出用信号を受信し、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａ、Ｂにより方向検出用信号の位相φ１、φ１＋θを検出し、位相をロックする。

電圧制御発信器１２４Ａ、Ｂとサーキュレータ１４０Ｂ、Ａとの間を接続する期間は、電力の送信期間Ｔ１に対応し、電圧差ΔＶの時間変化Δ（ΔＶ）／Δｔに反比例するように設定する。すなわち、Ｔ１＝Ａ（ｔ２−ｔ１）／（ΔＶ（ｔ２）−ΔＶ（ｔ１））により設定する。送信期間Ｔ１中、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ａの電圧制御発信器１２４Ａからの位相φ１の信号は、増幅器１１０Ｂによって増幅され、電力電波としてアンテナ素子１００Ｂから送信される。また、電圧保持機能付ＰＬＬ１２０Ｂの電圧制御発信器１２４Ｂからの位相φ１＋θの信号は、増幅器１１０Ａによって増幅され、電力電波としてアンテナ素子１００Ａから送信される。これにより、受電システム２の方向θにビーム方向を向けて電力電波を送信することができる。

（受電システム２の構成）
受電システム２は、図１に示すように、第２アンテナ２０と、電力受信部２１と、信号送信部２２と、によって構成されている。

第２アンテナ２０は、サーキュレータ２４により送受共用とされたアンテナであり、送電システム１からの電力電波を受信するとともに、受電システム２から方向検出用信号を送信するアンテナである。また、第２アンテナ２０は、複数のアンテナ素子が二次元的に配列された構造のアレーアンテナであり、たとえばマイクロストリップアレーアンテナである。第２アンテナ２０をアレーアンテナとすることで効率的に電力電波を受電することができる。一方で、方向検出用信号の送信には、アレーアンテナの複数のアンテナ素子のうち１つを用いて送信する。これにより方向検出用信号の送信を無指向性とし、受電システム２から見て送電システム１がどの方向にあっても効率的に受電システム２へ方向検出用信号を送信することができる。

電力受信部２１は、サーキュレータ２４に接続されており、第２アンテナ２０により受信した電力電波はサーキュレータ２４を介して電力受信部２１に入力される。電力受信部２１は、整流部を有し、入力された電力電波を整流して負荷２５に供給する。

信号送信部２２は、サーキュレータ２４に接続されており、方向検出用信号を生成する発振器である。方向検出用信号はサーキュレータ２４を介して第２アンテナ２０に入力され、第２アンテナ２０から方向検出用信号が送信される。方向検出用信号は、たとえば単なる連続波である。信号送信部２２は、方向検出用信号を生成するための電源２３に接続されており、第２アンテナ２０から方向検出用信号が常時送信される。

次に、実施例１の電力伝送システムの動作について説明する。

まず、受電システム２は、送電を開始してもらうため、そして受電システム２の方向を知らせるために、方向検出用信号を送信する。ここで、送電システム１の方向は不明である。そこで、方向検出用信号は無指向性とするのがよい。たとえば、第２アンテナ２０の各アンテナ素子のうち１つのみから送信することで無指向性とする。これにより、送電システム１が受電システム２から見てどの方向であっても方向検出用信号を受信できるようにする。以降、受電システム２は方向検出用信号を継続的に送信する。

送電システム１は、受電システム２からの方向検出用信号を受信する。そして、方向検出用信号から受電システム２の方向を検出する。次に、送電システム１は受電システム２の方向にビームを向けて電力電波を送信する。ここで、電力電波は、電力の送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２を交互に繰り返すように制御する。電力電波の送信の停止期間Ｔ２中に受電システム２からの方向検出用信号を受信することで、高精度に受電システム２の方向を検出することができる。そして、電力の送信期間Ｔ１中に、検出した方向に電力電波を修正して送信することで、受電システム２の移動に対して追随することができ、効率的に受電システム２へ電力を送信することができる。

また、送信期間Ｔ１は、受電システム２の角速度ωに反比例するように設定している。そのため、電力電波の方向追従性と、電力の送信期間Ｔ１とのバランスがよく、効率的に電力を伝送することができる。

なお、受電システム２が移動している場合、電力の送信期間Ｔ１の間にも受電システム２は移動して、送電システム１から見た受電システム２の方向も刻々と変化する。そこで、電力電波の到達面の直径が、受電システム２の移動速度に送信期間Ｔ１を乗じた値以上となるように、電力電波を送信するように設定することが好ましい。ここで、電波の到達面は、電力電波の送信方向を中心軸として、その中心軸に垂直でかつ受電システム２を含む面であって、電力がピークの半分となる円形の領域とする。電力電波の到達面の直径は、電力を送信するアンテナ素子数を変えることによって制御可能であり、アンテナ素子数が少ないほど到達面の直径を大きくすることができ、アンテナ素子数が多いほど到達面の直径を小さくすることができる。

受電システム２は、送電システム１からの送電が必要なくなった場合、方向検出用信号の送信を停止する。たとえば受電システム２の蓄電池が満充電となった場合である。送電システム１は、停止期間中の方向検出用信号の受信がなくなったら、電力電波の送信を停止する。

以上、実施例１の電力伝送システムによれば、送電システム１から送信される電力電波と、受電システム２から送信される方向検出用信号の周波数が同一であっても、送電システム１は受電システム２の方向を精度よく検出し追随することができ、高効率に電力を伝送することができる。また、電力電波と方向検出用信号の周波数が同一であるため、システムの小型化、低コスト化を実現することができる。

実施例１の電力伝送システムは、受電システム２に電源の余裕があり、電力電波が来る前の段階で受電システム２の発信部を駆動することができる場合に適用可能なシステムである。たとえば、工場内の自動搬送装置に電力を供給する場合に好適である。

実施例２の電力伝送システムは、実施例１の電力伝送システムにおける受電システム２を以下に説明する受電システム２００に置き換えたものである。他の構成については実施例１と同様である。

受電システム２００は、図１１のように、第２アンテナ２０と、整流部２０５と、蓄電部２０１と、発振部２０２と、制御部２０３と、スイッチ２０４と、を有している。第２アンテナ２０は実施例１と同様である。

整流部２０５は、第２アンテナ２０に接続されており、第２アンテナ２０からの電力電波を整流して出力する。その直流電力は蓄電部２０１に入力される。

蓄電部２０１は、発振部２０２、制御部２０３に接続されている。蓄電部２０１に整流部２０５からの直流電力が入力され、一定の電力が蓄電されると、発振部２０２、制御部２０３に電力が供給される。このように、蓄電部２０１を設けることで、発振部２０２、制御部２０３への電力供給のタイミングを、電力電波を受信したタイミングよりも遅れるようにしている。整流部２０５あるいは蓄電部２０１から出力される電力の一部は、負荷へと供給される。

なお、電力供給のタイミングを遅らせる手段として、蓄電部２０１に替えて遅延回路などを設けてもよい。

発振部２０２は、蓄電部２０１から電力が供給されると、電力電波と同一周波数の方向検出用信号を生成して出力する。また、制御部２０３は、蓄電部２０１から電力が供給されると、スイッチ２０４をオンに制御する。スイッチ２０４は、発振部２０２と第２アンテナ２０との間に設けられている。通常は発振部２０２と第２アンテナ２０との間の導通はオフになっており、制御部２０３による制御によってオンとなり、発振部２０２と第２アンテナ２０との間が導通する。スイッチ２０４がオンになると、発振部２０２からの方向検出用信号が第２アンテナ２０に入力され、第２アンテナ２０から方向検出用信号が送信される。

ここで、第２アンテナ２０により電力電波を受信してから方向検出用信号が送信されるまでの時間は、電力の送信期間Ｔ１におよそ一致するように設定されている。たとえば、蓄電部２０１に直流電力が入力されて一定の電力が蓄電された後に放電するまでの時間を調整することでこれが可能となる。また、発振部２０２、制御部２０３の駆動時間が電力送信の停止期間Ｔ２におよそ一致するように設定されている。

次に、実施例２の電力伝送システムの動作について説明する。

まず、送電システム１は、第１制御部１３による制御により第１アンテナ１０からの電力電波のビーム方向を二次元的に走査する。また、電力電波の送信は、実施例１と同様に送信期間Ｔ１と停止期間Ｔ２とを交互に繰り返すように制御する。ただし、受電システム２００の角速度ωが不明であるため、送信期間Ｔ１は所定の一定値とする。

受電システム２００は、第２アンテナ２０により送電システム１からの電力電波を受信すると、その整流部２０５により整流後、電力を蓄電部２０１に蓄電する。そして、一定の電力が蓄電されるまで経過すると、蓄電した電力の一部を発振部２０２と制御部２０３に供給する。これにより、発振部２０２は方向検出用信号を生成し、制御部２０３はスイッチ２０４を制御して発振部２０２と第２アンテナ２０間の接続をオンにする。発振部２０２からの方向検出用信号は第２アンテナ２０に入力され、送信される。その後、送電システム１からの電力電波を受信しなくなると、蓄電部２０１から発振部２０２、制御部２０３への電力供給がなくなり、発振部２０２からの方向検出用信号の生成が停止し、スイッチ２０４はオフになって、発振部２０２と第２アンテナ２０間の接続がオフになる。

ここで、蓄電部２０１によって発振部２０２、制御部２０３への電力供給のタイミングを、電力電波を受信したタイミングよりも遅れるようにしており、第２アンテナ２０により電力電波を受信してから方向検出用信号が送信されるまでの時間は、電力の送信期間Ｔ１におよそ一致するように設定されている。そのため、方向検出用信号の送信が開始されるタイミングは、電力電波の受信が終了するタイミングとおよそ一致し、電力送信の停止期間Ｔ２に方向検出用信号が送信されることになる。また、発振部２０２、制御部２０３への電力供給が開始してから終了するまでの期間は、電力送信の停止期間Ｔ２におよそ一致するように設定されている。そのため、方向検出用信号の送信が停止されるタイミングで、再び電力電波の受信が開始されることになる。

送電システム１は、電力送信の停止期間Ｔ２に方向検出用信号を受信し、方向検出用信号から受電システム２００の方向を検出する。次に、送電システム１は電力電波のビーム方向の走査をやめて、受電システム２００の方向にビームを向けて電力電波を送信する。その後は実施例１と同様に動作する。

以上、受電システム２００では、サーキュレータを用いずにスイッチ２０４によって電力電波の受信と方向検出用信号の送信とを切り替えている。サーキュレータは一般的に高周波線路が用いられ、サイズが波長オーダーとなるためサイズが大きくなるが、実施例２ではスイッチ２０４を用いているため、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。また、受電システム２００は、方向検出用信号を生成するための電源を必要とせず、電力電波の受信中は方向検出用信号の送信を停止することができる。そのため、受電システム２００の省電力化を図ることができる。

実施例２の電力伝送システムは、受電システム２００側に電源の余裕がない、あるいは非常に小さなセンサーネットワーク向け小電力センサの駆動に好適である。

なお、実施例では、受信した方向検出用信号の位相差により受電システムの方向を検出しているが、他の方法により方向を検出してもよい。たとえば、受電システムにＧＰＳなどの衛星測位システムを設けて位置情報を取得し、その位置情報を含む方向検出用信号を送信し、送電システム１においてその位置情報から受電システム２の方向を検出してもよい。また、方向検出用信号の受信電力により方向を検出してもよい。たとえば、ループアンテナを回転させたときの受信電力の変動や、複数のループアンテナを用いて受信電力から方向を検出する方法であってもよい。もちろん、これらの方向検出方法を組み合わせて用いることも可能である。

また、実施例はマイクロ波による送電であるが、本発明は任意の周波数の電磁波を送電に用いてよい。ただし、マイクロ波は大気による散乱の影響を受けにくいので、送電効率を高めるためにはマイクロ波が好ましい。

本発明は、無線で電力を送電することに利用できる。

１：送電システム
２：受電システム
１０：第１アンテナ
１１：電力送信部
１２：信号受信部
１３：第１制御部
２０：第２アンテナ
２１：電力受信部
２２：信号送信部

Claims (8)

1. 電力を電磁波として送信する送電システムと、前記送電システムから送信された電磁波を受信する受電システムと、を有する電力伝送システムにおいて、
   前記受電システムは、
   前記送電システムからの前記電磁波と同一周波数の方向検出用信号を前記送電システムに送信する信号送信部を有し、
   前記送電システムは、
   前記受電システムからの前記方向検出用信号を受信する信号受信部と、
   前記電磁波の送信と停止を交互に繰り返すように制御し、その停止期間中に前記信号受信部により受信した前記方向検出用信号に基づき前記受電システムの方向を検出し、送信する前記電磁波の方向を、その検出した前記受電システムの方向に制御する制御部と、を有する、
   ことを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記制御部は、複数のアンテナ素子によって前記方向検出用信号を受信して、各アンテナ素子で受信した前記方向検出用信号の位相差により前記受電システムの方向を検出する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記方向検出用信号は、前記受電システムの位置情報を含み、
   前記制御部は、前記信号に基づく前記受電システムの位置情報によって前記受電システムの方向を検出する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
4. 前記制御部は、前記方向検出用信号に基づき前記受電システムの角速度を検出し、前記角速度が大きいほど前記電磁波の送信時間が短くするように制御する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
5. 前記制御部は、前記角速度と前記電磁波の送信時間とが反比例するように制御する、ことを特徴とする請求項４に記載の電力伝送システム。
6. 前記受電システムは、前記送電システムからの前記電磁波を受信したときにその電力を用いて前記方向検出用信号を生成し、前記方向検出用信号の送信タイミングを一定時間遅らせることで、前記電磁波を受信していない期間に前記方向検出用信号を送信する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
7. 前記受電システムは、アレーアンテナにより前記電磁波を受信し、アレーアンテナのうち１つのアンテナ素子を用いて前記方向検出用信号を送信する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
8. 前記電磁波および前記方向検出用信号はマイクロ波である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電力伝送システム。