JP2019201451A - 送電装置、移動体および無線電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体に高効率で送電可能な送電装置、移動体および無線電力伝送装置を提供する。【解決手段】本発明の実施形態としての送電装置は、上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなり、前記断面の外側形状は非真円であり、かつ、移動体が備えている環状のフレームの内側形状と概ね相似である、移動体設置用の筐体と、前記筐体内に配置され、前記筐体の上下方向に連続する磁性体と、前記筐体内に配置され、前記磁性体の周囲を囲む送電コイルと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、送電装置、移動体および無線電力伝送装置に関する。

ドローン等の移動体は、搭載した電池を駆動源として動作し、空中を飛行する。移動体の長距離移動を可能とするため、経路の中継地点で電池を充電したり、目的地点で電池を充電したりする方法がある。

地上側のステーションで、着陸したドローンに無線給電する無線給電システムとして以下のものある。このシステムでは、地上側のステーション（地面）に受電用磁性板を設け、受電用磁性板上に、先端に向けて細くなる突起状物を設ける。そして、突起状物の先端に送電コイルを設ける。一方、ドローンの脚部に、当該突起状物の地上部分のサイズよりも大きい径の受電コイルを設ける。ドローンがステーションの上から、受電コイルが、磁性板に接するように着陸する。この状態で、ステーション側の送電コイルから受電コイルに無線給電する。しかし、突起状物の地上部分のサイズに対して、受電コイルの径が大き過ぎると、位置ずれを生ずる可能性がある。一方、受電コイルの径が小さ過ぎると、受電用磁性板から受電コイルが離れてしまう。このように位置ずれが生じたり、受電用磁性板から受電コイルが離れたりすると、十分な電磁誘導現象が得られず、高効率な無線給電が行うことができない。

また、リング形状のフレームに被充電用のコイルを内蔵したリング状機器を充電する充電装置が提案されている。錐体の筐体の肩部に、なだらかに拡径した形状を形成し、当該肩部の内部に充電用コイルを設ける。リング状機器を筐体に載置すると、リング形状のフレームが肩部で係止し、この状態で、充電用コイルから被充電用のコイルに無線で電力伝送する。しかし、リング形状のフレームの大きさによっては、このフレームと、充電用コイルとの距離が大きくなる。この場合、コイル間で十分な結合係数が得られず、十分な電磁誘導現象が得られない。また、リング状機器の載置時に、載置の向きがずれる可能性が高い。向きがずれると、十分な電磁誘導現象が得られず、高効率な無線給電が行うことができない。また、ドローン等の移動体では、載置の向きがずれると、着陸場所において、カメラやセンサ等の移動体搭載機器の状態を点検する装置との位置ずれが生じ、適切な点検を阻害してしまう。

特開２０１７−１３５８８０号公報 特開２００５−２７８３１８号公報

本発明の実施形態は、移動体に高効率で送電可能な送電装置、移動体および無線電力伝送装置を提供する。

本発明の実施形態としての送電装置は、上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなり、前記断面の外側形状は非真円であり、かつ、移動体が備えている環状のフレームの内側形状と概ね相似である、移動体設置用の筐体と、前記筐体内に配置され、前記筐体の上下方向に連続する磁性体と、前記筐体内に配置され、前記磁性体の周囲を囲む送電コイルと、を備える。

第１の実施形態に係る送電装置を示す図である。 第１の実施形態に係る移動体およびその構成要素を示す図である。 第１の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す図である。 第１の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す図である。 フレームの形状の例を示す図である。 第１の実施形態に係るドローンが自動運転で送電装置に着陸して充電を受ける場合の動作のフローを示す図である。 人または機械がドローンを送電装置に載置して、ドローンに充電を行う場合の動作のフローを示す図である。 第２の実施形態に係る移動体を示す図である。 （Ａ）は、第３の実施形態に係る移動体を示した図であり、（Ｂ）は移動体を送電装置に載せた状態を示した図であり、（Ｃ）は図９（Ｂ）における送電装置とフレームと受電コイルとを取り出して示した平面図である。 （Ａ）は、第４の実施形態に係る送電装置と移動体とを備えた無線電力伝送装置を示す図であり、（Ｂ）は、磁性体の他の構成例を示す図である。 第５の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。 第６の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。 第７の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。 第８の実施形態の実施形態に係る送電装置を示す上面図である。 第９の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。 第１０の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。 （Ａ）は、第１１の実施形態に係る移動体を示す図であり、（Ｂ）は、第１１の実施形態に係る送電装置を示す図である。 （Ａ）は、図１７（Ａ）の移動体と図１８（Ｂ）の送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図であり、（Ｂ）は、図１８（Ａ）の筐体、磁性体、受電コイルおよびフレームを取り出した上面図である。 （Ａ）は荷物を載せた例を示す図であり、（Ｂ）は、監視用のカメラを配置した例を示す図であり、（Ｃ）はドローンにダミーループを配置した例を示す図である。 第１２の実施形態に係る無線電力伝送装置の電気ブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図面において同一または同等の要素には同一の符号を付して、説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る送電装置を示す図である。図２は、第１の実施形態に係る移動体を示す図である。図２の移動体は、空中または地面等を移動する移動体であり、例えば、ドローン、ラジコン飛行機またはラジコンヘリコプターがある。以下の説明では、移動体はドローンであるとする。以下では、まず図２の移動体を説明し、その後、図１の送電装置を説明する。

図２（Ａ）は、移動体であるドローンの側面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のドローンの上面図である。図２（Ｃ）はドローンにおけるフレーム２０３および受電コイル２０２等を取り出して示した上面図、図２（Ｄ）はドローンにおけるフレーム２０３を示す上面図である。

図２（Ａ）のドローンは、ドローン本体２０１と、フレーム２０３と、フレーム２０３に搭載される受電コイル２０２と、受電コイル２０２の受電電力を受けて、使用する受電装置２０４とを備えている。

ドローン本体２０１の本体フレームは、天板２０１ａと脚部２０１ｂとを含む。本体フレームは、主として非金属材料（例えばカーボン、プラスチック、カーボンおよびプラスチックの混合等）により構成されている。ただし、一部（結合部やねじなど）が金属材料で構成されていてもよい。天板２０１ａの裏面には、受電装置２０４が配置されている。受電装置２０４は、受電コイル２０２を介して送電装置から無線（ワイヤレス）で電力を受電する受電回路と、受電回路で受電された電力を使用する負荷（電気機器）とを含む。電気機器は、例えば、蓄電池（充電池）、または電力を消費する機器等である。蓄電池はリチウムイオン電池等の２次電池である。電力を消費する機器の例として、ドローンの回転翼（ローター）を駆動するモーター、モーターの駆動を制御する制御装置、または移動を制御するコンピュータがある。ドローン本体２０１の４隅には、モーターにより駆動される回転翼（ローター）Ｐが設けられている。

フレーム２０３は、受電装置２０４の下方に配置されている。図２（Ｄ）に示すように、フレーム２０３は、内側形状２０３ａが非真円形の環状のフレームである。図１の例では、フレーム２０３の内側形状２０３ａは長方形である。外側形状２０３ｂも２０３ａと短辺と長辺の比が概ね等しい長方形である。フレーム２０３は、天板２０１ａに概ね平行である。またフレーム２０３の内部は中空である。これによりフレーム２０３を軽量化できる。なお、フレーム２０３の内部が中空であることは構成の一例であり、中空でなくてもよい。フレーム２０３は、非金属材料（例えばカーボン、プラスチック、カーボンおよびプラスチックの混合等）により構成されている。ただし、フレーム２０３に非金属材料以外の材料が含まれることを排除しない。

フレーム２０３は、複数（図の例では４つ）の支持部材２０６によって天板２０１ａからつり下げられるように支持されている。また、フレーム２０３は、複数（図の例では４つ）の支持部材２０５によって本体フレームの脚部２０１ｂに固定され、これにより側方からも支持されている。これによりフレーム２０３は、ドローン本体２０１に対して固定されている。

フレーム２０３には受電コイル２０２が設けられている。図２（Ｃ）に示すように、フレーム２０３の上面において、フレーム２０３のループに沿って、受電コイル２０２が巻かれている。受電コイル２０２は、結束バンドまたは接着材等の任意の固定手段によってフレーム２０３に固定されている。受電コイル２０２が、フレーム２０３の中空部において、ループに沿って巻かれる構成も可能である。さらに非中空のフレームに中空なチューブ等を搭載し、このチューブ等の内部に受電コイル２０２を巻く構成も可能である。これらの２つの場合、受電コイル２０２を外部から保護できる。受電コイル２０２は、配線を介して受電装置２０４に接続されている。

図１（Ａ）は、送電装置の側面図を示し、図１（Ｂ）は、送電装置の上面図を示す。送電装置は、地面に設けられたドローンポート等のポートに設置されている。図１（Ａ）の側面図において、筐体１０１内の送電コイル１０３および磁性体１０２は透過的に表示されている。

送電装置は、ドローン載置用筐体（以下、筐体）１０１と、磁性体１０２と、送電コイル１０３、送電回路１０４とを備える。

筐体１０１は、ドローンポート等のポートに設置される。筐体１０１は、上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなり、当該断面の外側形状が非真円である。筐体１０１の上部は開口している。図では、一例として筐体１０１は、四角錐台であり、任意の高さの断面の外側形状Ｓは長方形である。筐体１０１の形状は、直線的に広がるスロープになっている。筐体１０１は、一例として、非金属材料（例えばカーボン、プラスチック、カーボンおよびプラスチックの混合、ガラス、ガラス繊維とプラスチックの混合、ＦＲＰ等）により構成されている。筐体１０１は概ね一定の厚みの板状部材により構成されていても良いし、また、立体の一体型の構成でもよい。筐体１０１は、ドローンが充電のために着陸するためのものである。ドローンのフレーム２０３のループが筐体１０１に係合することで、ドローンを筐体１０１の充電用の位置に載置する。この際、筐体１０１の断面の外側形状が、フレーム２０３の内側形状と概ね相似であることにより、フレーム２０３が、所定の向きかつ所定の高さで、筐体１０１とセルフアラインにより嵌合する（後述する図３およびその説明を参照）。概ね相似するとは、フレーム２０３が筐体１０１に特定の方向で嵌合する程度に形状が近似していれば、完全な相似でなくてもよいことを意味する。なお、図の例では、筐体１０１の上部が開口しているが、内部に異物が入ることを防ぐために、開口を形成せず、非金属材料で塞ぐ構成をとっても良い。

磁性体１０２が、筐体１０１内において、上下方向に連続するように配置されている。磁性体１０２は、筒状（パイプ状）に形成されている。磁性体１０２は一例としてフェライトにより構成される。磁性体１０２の一端は、筐体１０１の底面に結合しており、他端は、筐体１０１の開口部と概ね同じ高さに位置している。ただし、磁性体１０２の他端は、開口部より低くてもよいし、開口部より高くてもよい。磁性体１０２の筒の部材の厚みは、送電に使用する周波数に応じた表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）よりも概ね大きい厚みであればよい。これにより、磁界特性を犠牲にすることなく、磁性体１０２を中空としない場合に比較し、軽量で低コスト化を図ることができる。断面を一定の形状とすることで、製造が容易にしてもよい。ただし、磁性体１０２が筒状でなく、内部が磁性体材料で埋められていても問題はない。

送電コイル１０３は、筐体１０１の内部に配置されており、上方から見て筐体１０１の内周に沿って巻かれている。送電コイル１０３は、磁性体１０２の周囲を囲んでいる。すなわち、送電コイル１０３の内側を、磁性体１０２が上下方向に貫通している。ドローンのフレーム２０３が筐体１０１に嵌合したときに、受電コイル２０２が送電コイル１０３に高い結合係数で結合する位置になるように、送電コイル１０３は筐体１０１のスロープの途中に設置されている。

送電回路１０４は、送電コイル１０３へ交流電流を供給し、交番磁界を発生させる。交流電流は、例えば９ｋＨｚ，８５ｋＨｚ，６．７８ＭＨｚといった高周波の交流電流である。

図３は、第１の実施形態に係る、移動体（ドローン）と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す。ドローンが送電装置の筐体１０１に着陸し、または筐体１０１に載置され、無線充電を行う例を示す。ドローンが着陸とは、ドローンが自動運転により筐体１０１に降下し、充電用の位置に停止することであり、ドローンを載置とは、人または機械がドローンを筐体１０１における充電用の位置に載置することである。以下、ドローンが着陸する場合を想定して説明するが、ドローンを人や機械等が載置する場合は適宜記載を読み変えれば良い。

上述のように筐体１０１の断面の外側形状は、上方から見てフレーム２０３の内側形状と概ね相似であり、上方から下方に向かって外側形状が大きくなる。このため、ドローンの着陸時、多少の水平方向の位置ずれ、角度ずれ、またはこれらの両方がある場合でも、フレーム２０３の内側形状と筐体１０１の断面の外側形状とが、自ずから同じ向きになるようにセルフアラインする。これによりフレーム２０３が筐体１０１と嵌合し、ドローンは充電用の位置にセットされる。したがって、着陸の際、位置ずれ・角度ずれが生じない、もしくは生じにくい。磁性体１０２は、フレーム２０３の内側および受電コイル２０２の内側を貫通している。ただし、磁性体１０２は筐体１０１の内部に存在するのに対し、フレーム２０３および受電コイル２０２は筐体１０１の外部に存在する。受電コイル２０２と送電コイル１０３は同じ磁性体１０２の周囲を巻回した状態で、互いにフレーム２０３を介して対向している。

この状態で、送電回路１０４が、送電コイル１０３へ高周波電流を供給し、交番磁界を発生させる。交番磁界により生ずる磁束のうち、多くの磁束は、磁性体１０２を通過する。この磁束による電磁誘導作用により、受電コイル２０２へ、高周波電流と同一周波数の交流電流が流れる。この交流電流が受電コイル２０２の出力として受電装置２０４に入力される。交流電流は、受電装置２０４において、必要により直流に変換され、あるいは周波数変換され、ドローンに搭載されている電気機器に供給される。これにより、ワイヤレス電力伝送が行われる。

図４は、第１の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す。図４の各要素の符号は図３と同じものを付している。送電回路１０４、受電コイル２０２と受電装置２０４との接続配線等の図示は省略している（以下同様）。

図３の無線電力伝送装置との違いは、ドローンの大きさ（サイズ）が、第１の実施形態よりも大きくなっており、これに応じてフレーム２０３のサイズ（フレーム２０３の内形状のサイズ）および受電コイル２０２のサイズ（受電コイル２０２の開口サイズ）も大きくなっている。これにより、フレーム２０３が筐体１０１と嵌合する高さが、図３よりも低くなっている。具体的にはフレーム２０３が筐体１０１と嵌合する高さが送電コイル１０３よりも低くなっている。このように本実施形態の送電装置は、複数のサイズのドローンに対して対応可能である。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、図２〜図４に示した形状（正方形でない長方形）以外のフレーム２０３の形状の例を示す上面図である。各フレームは一例として中空状に形成される。なお、図５の示す各フレームでは、外側形状と内側形状とが概ね相似であるが、外側形状が内側形状と相似でなくてもよい（内側形状が外側形状と全く異なる形状でもよい）。このことは、前述した図２のフレーム２０３についても同様である。

図５（Ａ）に示した例は、真円および正多角形以外の形状の例である。具体的には、長径と短径を有する形状（例えば楕円）、長辺と短辺を有する形状（例えば、非正多角形の矩形）、または、直線と曲線とを含む形状である。これらの形状では、ドローンが筐体へ着陸する際に、多少の水平方向の位置ずれや角度ずれがある場合でも、断面が同じ向きになるようにセルフアラインして、角度が調整される。このため、位置ずれおよび角度ずれが生じるのを防止できる。

図５（Ｂ）に示した例は、正方形である。この形状では、例えば、角度ずれが４５度近くあるときは、場合によっては、最終的に例えば９０度のずれが生じた状態でドローンが着陸する可能性があるが、製造上の容易さの利点がある。また、正方形の場合、同一のフレーム幅であれば、正方形でない長方形と比較して、強度を確保できる利点がある。

図５（Ｃ）に示した例は、正多角形の例である。正五角形、あるいは、それ以上の辺の数をもつ正多角形の場合は、正方形に比べて、４５度よりさらに少ない角度ずれがあるときは、場合によっては、例えば正五角形の場合は、最終的に３６０度÷５＝７２度のずれが生じた状態で、ドローンが着陸する可能性がある。そのため、ドローンが筐体上へ着陸する際に角度ずれが生じないよう、降下方式・方法を工夫することが望ましい。

図６は、第１の実施形態に係るドローンが自動運転で送電装置に着陸して充電を受ける場合の動作のフローを示す。ドローンが、地面（水平面）に平行な概ね所定の向きで、筐体１０１の上空に到着する（Ｓ１１）。ドローンが筐体１０１に向け、降下を開始する（Ｓ１２）。ドローンに設置したフレーム２０３と、筐体１０１とが嵌合するように、ドローンが角度（水平方向の向き）を調整しながら、降下する（Ｓ１３）。フレーム２０３と、筐体１０１とが嵌合し、これにより、ドローンが筐体１０１に充電用の位置にセットされる（Ｓ１４）。ドローンが筐体１０１に充電用の位置にセットされたか否かの判断は、一例としてセンサを用いる方法がある。例えば距離センサをドローンに設け、ドローンポート（地面）までの距離を測定する。一定の距離以下になったら、ドローンが筐体１０１の充電用の位置にセットされたと判断する。ただし、判断の方法はこれに限定されない。ドローンがセットされた後、ドローンと送電装置間で無線通信を行い、無線充電を行うためパラメータを交換してもよい。このため、送電装置と受電装置２０４に無線通信用の回路を設けてもよい。パラメータ交換後、送電装置からドローンに無線充電を実行する（Ｓ１５）。すなわち、送電装置からドローンに無線電力伝送を行い、ドローンが、受電した電力を内部の電池に充電する。

図７は、人または機械がドローンを送電装置に搭載して、ドローンに充電を行う場合の動作のフローを示す。ドローンが荷下ろし場に着陸し、人または機械が、ドローンが積んでいる荷物を降ろす（Ｓ２１）。人または機械が、ドローンを荷下ろし場から筐体の上方に持ってくる（Ｓ２２）。ドローンが、地面に水平になるようにしつつ、ドローンに設置したフレーム２０３と、筐体１０１とが嵌合するように、ドローンの角度（水平方向の向き）を調整しながら、ドローンを降ろす（Ｓ２３）。フレーム２０３と、筐体１０１とが嵌合し、これにより、ドローンが筐体１０１の充電用の位置にセットされる（Ｓ２４）。人または機械が、送電装置またはドローンに対して無線充電の指示を入力する。これにより、無線充電が実行される（Ｓ２５）。無線充電の指示は、ドローンまたは送電装置に設けられた充電開始用のボタンを押すことで入力してもよいし、センサ等で嵌合・載置されたことを自動的に検出して指示を送る制御装置を用いてもよいし、その他の方法で入力してもよい。

以上、本実施形態によれば、筐体１０１の断面の外側形状は、上方から見てフレーム２０３の内側形状と概ね相似であり、上方から下方に向かって外側形状が大きくなるため、ドローンの着陸時に、位置ずれ・角度ずれが生じない、もしくは生じにくくすることができる。

また、本実施形態によれば、筐体１０１のスロープの途中に送電コイル１０３が設置されることにより、ドローンが筐体１０１に着陸した際、送電コイル１０３および受電コイル２０２間の距離が短縮する。これにより、コイル間の結合係数が上がり、送電効率が向上する。

また、本実施形態によれば、筐体１０１の形状が、直線的に広がるスロープになっているため、金属異物が、筐体１０１の表面（特に送電コイル１０３や受電コイル２０２の近傍）に滞留する可能性を低減できる。これにより、送電（無線充電）時に金属異物に渦電流が発生することにより加熱が発生する可能性を低減できる。

筐体１０１の形状の変形例として、上部の広がりの増加率をより大きくし、下部にいくにつれ広がりの増加率をより小さくする構成も可能である。この場合、筐体に異物が留まる可能性が、より小さくなる。他の変形例として、上部の広がりの増加率をより小さくし、下部にいくについて広がりの増加率をより大きくする構成も可能である。この場合、ドローンが勢いよく降下した際に、ドローンのフレーム２０３が筐体１０１に強く嵌って外れにくくなる事象を軽減できる。また、フレーム２０３と筐体１０１とが嵌合した状態で、フレーム２０３の所定箇所の曲率半径が、当該所定箇所に対応する筐体の箇所の曲率半径と異なっていてもよい。この場合も、ドローンが勢いよく降下した際に、ドローンのフレーム２０３が筐体１０１に強く嵌って外れにくくなる事象を軽減できる。

また、本実施形態によれば、筐体１０１を錐台または錐台のスロープを変形した形状とし、ドローンのフレーム２０３を、上方から見て錐台の断面と概ね相似で、かつドローンの大きさに応じた適切な大きさとすることにより、筐体１０１のいずれかの高さおよび所望の向きにセットすることができる。これにより、大きさの異なるドローンへ対応することができる。筐体１０１のスロープの形状を変形させても、同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態によれば、四角錐台の内側に磁性体１０２を配置することにより、ドローン側に磁性体を配置する必要はない。これにより、ドローンの軽量化が可能となる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る移動体を示す図である。受電コイル２０２と受電装置２０４間の配線は省略する（以下、同様）。

移動体であるドローンに荷物２１１が積まれている。荷物２１１は受電装置２０４の下方に配置され、支持部材２１２によって天板からつり下げられている。荷物２１１の下部は、受電コイル２０２の開口およびフレーム２０３の開口を通されている。これにより、フレーム２０３および受電コイル２０２の少なくとも一方は、ドローンの飛行中に荷物２１１の揺れを防止するカバーとして機能する。

ドローンを充電する場合は、人または機械が、ポートに到着したドローンから荷物２１１を外す。その後、ドローンが自動操縦により浮上し、筐体１０１の上方に移動して、筐体１０１へ着陸する。もしくは、人もしくは機械がドローンを筐体１０１の上方まで運び、ドローンを筐体１０１に載置する。なお、フレーム２０３の内側の角部に丸みを設けて、筐体１０１への降下や載置を繰り返した場合の耐久性を向上させてもよい。

（第３の実施形態）
図９（Ａ）は、第３の実施形態に係る移動体を示す図である。図９（Ｂ）は移動体が送電装置にセットされた状態を示す。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）における送電装置とフレーム２０３と受電コイル２０２とカメラ２２１とを取り出して示した平面図である。

図９（Ａ）に示すように、受電装置２０４の下部に監視用のカメラ２２１が配置されている。カメラ２２１はドローン本体２０１のほぼ中央に位置している。図９（Ｂ）および図９（Ｃ）に示すように、カメラ２２１は、ドローンが筐体１０１に着陸して充電用の位置にセットされた際に、磁性体１０２の筒の中空部に収容される。よって、ドローンからカメラ２２１を外す必要はない。この状態で無線充電を行うと、磁性体１０２へ磁束が集中し、筒の中空部を通る磁束は少ない。よって、カメラ２２１への磁束の影響が少ない。

（第４の実施形態）
図１０（Ａ）は、第４の実施形態に係る、送電装置と移動体とを備えた無線電力伝送装置を示す。なお、送電コイル１０３に交流電流を供給する送電回路（図示せず）は、磁性体１０２−１の内部に存在してもよいし、筐体１０１の外部に存在してもよい。

図１０（Ａ）において、磁性体１０２−１の形状が、図１または図３等に示したような円筒ではなく、筐体１０１の錐台に沿うような概ねホーン状を有する。すなわち磁性体１０２−１は筒状であるが、下方に行くほど広がる形状を有している。磁性体１０２−１の筒の部材の厚みはほぼ一定である。下方に行くほど、磁性体１０２−１の断面積が大きくなる。よって無線充電の際、通過する単位面積当たりの磁束は減少するため、磁性体での損失が減少する。また、磁性体１０２−１と送電コイル１０３との距離、および磁性体１０２−１と受電コイル２０２との距離が近くなるため、磁束を通る場所が、送電コイル１０３、受電コイル２０２と磁性体１０２−１との間の隙間や、磁性体１０２−１の中空部分よりも、磁性体に多くなることが期待される。よって、漏れ磁束が減り、送電コイル１０３および受電コイル２０２間の結合係数が向上し、送電効率（充電効率）が向上する。また、磁性体１０２−１の中空部分がより下方に行くほど広くなるため、他の機器などを実装できるスペースが広くなる。

図１０（Ｂ）は、磁性体の他の構成例である。下方に行くにつれ段階的に広くなる形状を有する磁性体１０２−２が示されている。紙面に沿って左右方向だけでなく、前後方向も段階的に広くなっている。磁性体１０２−２は筒状であり、磁性体１０２−２の部材の厚みはほぼ一定である。この構成では、図１０（Ａ）よりも製造が容易である。例えば、正方形のフェライトブロックを隙間無く並べ、接着材等で結合することが生成できる。

（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す。筐体１０１の下部が開口しており、磁性体１０２の下部が開口から露出している。磁性体１０２の下部に結合され、かつ、筐体１０１、送電コイル１０３および受電コイル２０２等の周囲の空間を囲む磁性体６０２が形成されている。磁性体６０２は、第１磁性体部分６０２ａと第２磁性体部分６０２ｂとを備える

第１磁性体部分６０２ａは、ブロック状の磁性体（フェライト等）を全面または部分的に敷き詰めた、長方形の全体形状を有する。図では部分的に敷き詰めた例が示されており、ブロックが配置されていない箇所では、遮へい部材６０１が露呈している。送電時に生成される磁束がループを形成するための磁束の帰り道を作ればよいため、このように部分的にブロックが間欠していても問題ない。第１磁性体部分６０２ａは地面に概ね平行である。第１磁性体部分６０２ａの表面は磁性体１０２の下面と結合している。第２磁性体部分６０２ｂは、第１磁性体部分６０２ａの４つの辺の部分において、第１磁性体部分６０２ａに対して概ね垂直に配置されている。

磁性体６０２の外側は、磁束を遮へいさせる遮へい部材６０１で囲われている。遮へい部材６０１は一例としてアルミ部材である。ただし、遮へい部材６０１は、磁束を遮へいさせる部材であれば他の部材でもよい。遮へい部材６０１は、地面に概ね平行な第１遮へい材部分６０１ａと、第１遮へい材部分６０１ａの４つの辺の部分に概ね垂直に設けられた第２遮へい材部分６０１ｂとを含む。第１遮へい材部分６０１ａは第１磁性体部分６０２ａに隣接し、第２遮へい材部分６０１ｂは第２磁性体部分６０２ｂに隣接する。

磁性体６０２により、無線充電時に、電磁誘導により形成される磁束の帰り道を確保（磁束のループを確保）するとともに、放射エミッションを低減できる。さらに遮へい部材６０１が磁性体６０２の外側に形成されているため、磁束を遮へいさせるため、放射エミッションをさらに低減できる。

（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。図１２（Ａ）は移動体のサイズが通常の場合、図１２（Ｂ）は移動体のサイズが、図１２（Ａ）よりも大きい場合を示している。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）において、ドローンのフレーム２０３が送電装置の筐体１０１に嵌合した状態が示されている。ドローン本体２０１における受電装置２０４の下方に、放射エミッション低減のための磁気シールドとして機能する導体のループ（ダミーループ）２０７が配置されている。ダミーループ２０７は受電コイル２０２に向かい合っている。ダミーループ２０７の形状は長方形でも、円形でも、それ以外の形状でもよい。ダミーループ２０７は、筐体１０１の上部よりも上方に位置しており、ダミーループ２０７の内部を磁性体１０２は貫通していない。

上記構成によれば、送電時、ダミーループ２０７を交差する交番磁束により、電磁誘導によってダミーループ２０７に交番磁束を打ち消すような交流電流が誘導される。これにより、放射エミッションを低減できる。

（第７の実施形態）
図１３は、第７の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す。図１１に示した無線電力伝送装置の送電装置に対して、導体のループ（ダミーループ）６０３が設けられている。ダミーループ６０３は、放射エミッション低減のための磁気シールドとして機能する。図１２の実施形態では、移動体側にダミーループが設けられていたが、本実施形態では送電装置側（地上側）にダミーループが設けられている。

ダミーループ６０３は、ドローンと送電装置とを囲む位置に置かれている。図の例では、第２磁性体部分６０２ｂの地上と反対側の端部と、第２遮へい材部分６０１ｂの地上と反対側の端部とにまたがるようにダミーループ６０３が置かれている。送電時は、ダミーループ６０３を交差する交番磁束により、電磁誘導によってダミーループ６０３に交番磁束を打ち消すような交流電流が誘導される。これにより、放射エミッションが低減される。本実施形態と図１２の実施形態と組み合わせることで、地上側とドローン側との両方にダミーループを設けてもよい。これにより、さらにエミッションを低減できる。

（第８の実施形態）
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、および図１４（Ｄ）は、第８の実施形態の実施形態に係る送電装置を示す上面図である。それぞれの送電装置における筐体１０１の上側に、開口部を塞ぐ蓋１０５が設けられている。蓋１０５は、プラスチック等の非金属材料で構成されている。蓋１０５は、筐体１０１と同一材料で構成されてもよいし、異なる材料で構成されてもよい。

送電装置を上空から見た時に、ドローンの着陸の目標となるマーク１０６または１０７が筐体１０１に描かれている。マークは任意の色で着色されている。マークが、四角錐台の４つの側面と蓋１０５とにまたがっている。マーク１０６または１０７は、ドローンを着陸させる向きを表している。図において、「前」と記載された方向がドローンに向かせる向きを表している。なお、「前」の文字は説明のために記載したものであり、送電装置に実際に描かれたものではない。ただし、「前」の文字が描かれることを排除するものではない。ドローンは、搭載したカメラまたはセンサを用いてマーク１０６または１０７を検出し、検出したマークに位置合わせするように制御することで、自機を筐体１０１に所定の向きで着陸することができる。

本実施形態によれば、送電装置の筐体１０１（蓋１０５を含む）にマーク１０６、１０７を描くことにより、ドローンの向きをより正確に合わせることができる。また、ドローンポートの要件としてポートにマークを描くことが仕様または規格、または法律等で決められていた場合に、ドローンポートとしての要件を満たしながら送電装置を配置することができる。

（第９の実施形態）
図１５は、第９の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。放射エミッション低減のための磁気シールドとして、導体のループ（ダミーループ）１０８が送電装置の筐体１０１の下部よりもさらに下に置かれている。筐体１０１の下方の地中１１０にプラスチック等の材料による別の筐体（箱）１０９が配置されており、筐体１０９の内部にダミーループ１０８が配置されている。ダミーループ１０８は、送電コイル１０３および受電コイル２０２と概ね平行になるよう保持されている。ダミーループ１０８の保持手段は何でもよい。例えば、筐体１０９の内部に台（図示せず）を設け、その上にダミーループ１０８が載せられていてもよいし、筐体１０９の側面から図示しない支持部材により支持されてもよい。あるいは、ダミーループ１０８が、筐体１０９の上面または下面に固定されていてもよい。

図１５の構成によれば、送電時、ダミーループ１０８を交差する交番磁束により、電磁誘導によってダミーループ１０８に交番磁束を打ち消すような交流電流が誘導されるため、放射磁界エミッションが低減される。

（第１０の実施形態）
図１６は、第１０の実施形態に係る、移動体と送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示す図である。図１６の移動体（ドローン）は図４や図８等の移動体と同じである。送電装置の筐体は、これまでの実施形態では四角錐体等の錐体であり、ドローンのフレーム２０３が錐体の該当する高さで嵌合することでドローンが着陸したが、図１６では、ドローンが、筐体１３１の表面に着陸する。筐体１３１は平面型の筐体である。筐体１３１の形状は、一例として直方体である。ドローンのフレーム２０３は、荷物の揺れを防止する役割を有する（図８参照）。

筐体１３１の内部には、筐体１３１の表面に着陸したドローンの受電コイル２０２に対して対向するように送電コイル１３２が配置されている。また、筐体１３１の内部には、送電回路１０４が配置されている。送電回路１０４は、送電コイル１３２に配線等により接続されている。送電回路１０４は筐体１３１の外側に配置されてもよい。筐体１３１の下側には、平面状の磁性体１３３が配置されている。磁性体１３３は、図の例では筐体１３１の下部面に隣接しており、磁性体１３３の全体のサイズは、概ねの筐体１３１の下部面と同じである。磁性体１３３の一部が切り欠いた構成（図１１、図１３参照）を有していてもよい。

ドローンは、無線充電を受けるために、受電コイル２０２が送電コイル１３２に対向する位置で筐体１３１の表面に着陸する。着陸位置のばらつきや、ドローンの大きさ等により、伝送効率のばらつきが大きくなる可能性があるが、ドローンの形状やサイズへの制約が少なくなる利点がある。

（第１１の実施形態）
図１７（Ａ）は、第１１の実施形態に係る移動体、図１７（Ｂ）は、第１１の実施形態に係る送電装置を示す。

図１７（Ａ）に示すように、移動体であるドローンは、ドローン本体７０１と、受電コイル２０２と、フレーム２０３と、受電装置２０４とを備えている。ドローン本体７０１の本体フレームは、天板７０１ａと複数の脚部７０１ｂとを備えている。脚部７０１ｂの本数は一例として図２（Ｂ）の構成と同じ４本であるが、これに限定されない。図２（Ｂ）では４本の脚部はドローンの下部に行くほど互いに広がっていたが、図１７（Ａ）ではドローンの下部に行くほど狭くなっている。ただし、４本の脚部が、図２（Ｂ）と同様に、ドローンの下部に行くほど広がってもよい。また、図２（Ａ）ではフレーム２０３は脚部２０１ｂに支持部材２０５を介して接続されていたが、図１７（Ａ）では、フレーム２０３は、複数の脚部７０１ｂの先端に直接取り付けられている。取り付けの方法は、結束バンドを用いる方法など、何でもよい。図２（Ａ）と同様に、フレーム２０３が、支持部材２０５を介して脚部７０１ｂに取り付けられる構成も排除されない。

図１７（Ｂ）に示すように、送電装置は、ドローン載置用筐体（筐体）８０１と、磁性体８０２と、送電コイル１０３と、送電回路１０４とを備えている。筐体８０１は、上方から下方に向かって内側の断面形状が小さくなり、当該内側の断面形状は、非真円である。図では、一例として筐体１０１は、四角錐台であり、断面形状は長方形である。筐体１０１の下部は開口している。筐体８０１の形状は、直線的に狭くなる逆スロープになっている。筐体８０１の断面の内側形状は、フレーム２０３の外側形状と概ね相似である。筐体８０１は、一例として、非金属材料（例えばカーボン、プラスチック、カーボンおよびプラスチックの混合、ガラス、ガラス繊維とプラスチックの混合、ＦＲＰ等）により構成されている。筐体８０１は概ね一定の厚さの板状部材により構成されても良いし、また、立体の一体型の構成でもよい。

磁性体８０２は、筐体８０１の下部開口を貫通し、筐体８０１の上下方向に連続するように配置されている。したがって、磁性体８０２の上側は筐体８０１によって囲まれている。磁性体８０２は、筒状（パイプ状）に形成されている。磁性体８０２は一例としてフェライトにより構成される。磁性体８０２の下端はドローンポート（地面）に直接または別の部材を介して配置され、磁性体８０２の上端は、筐体８０１の上面と概ね同じ高さである。ただし、磁性体８０２の上端が、筐体８０１の上面より高い構成、低い構成のいずれも可能である。上方から見た磁性体８０２の断面の外側形状は、フレーム２０３の開口および受電コイル２０２の開口よりも小さい。磁性体８０２の厚みや形状等のその他の条件は、磁性体１０２と同様である。

送電コイル１０３は、筐体８０１の外側において、磁性体８０２の下側の周囲を巻いている。送電コイル１０３は、送電コイル１０３を構成する線材と磁性体８０２の絶縁特性に応じて、印加する電力により短絡を起こさない条件のもとで、磁性体８０２に直接巻き付けられていてもよいし、磁性体８０２と直接接触しないように配置されていてもよい。後者の場合、磁性体８０２は、任意の保持手段によって所定の高さに保持される必要がある。送電コイル１０３には送電回路１０４が接続されている。変形例として、筐体８０１の内側に送電コイル１０３を配置してもよい。

図１８（Ａ）は、図１７（Ａ）の移動体と図１８（Ｂ）の送電装置とを備えた無線電力伝送装置を示し、移動体が送電装置に着陸した状態が示されている。図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）の筐体８０１、磁性体８０２、受電コイル２０２およびフレーム２０３を取り出した上面図である。

上述のように、筐体８０１の断面の内側形状は、フレーム２０３の外側形状と概ね相似であり、上方から下方に向かって筐体８０１の断面が小さくなる。このため、ドローンが筐体８０１へ着陸する際に、多少の水平方向の位置ずれ、角度ずれ、またはこれらの両方がある場合でも、フレーム２０３の外側形状と筐体８０１の断面の内側形状（開口の形状）とが概ね同じ向きで一致するようにセルフアラインする。これにより、ドローンが所定の向きで、フレーム２０３が筐体１０１と嵌合し、充電用の位置にセットされる。セルフアラインにより角度が調整されてドローンが載置されるため、位置ずれ・角度ずれが生じない、もしくは生じにくい。送電回路１０４を用いた無線充電時の動作は第１の実施形態と同様である。すなわち、送電回路１０４から高周波の交流電流を出力し、送電コイル１０３に交番磁界が発生する。発生した交番磁界により生ずる磁束のうち、多くの磁束は、磁性体８０２を通過する。この磁束による電磁誘導作用により、受電コイル２０２へ、上記の高周波電流と同一周波数の交流電流が流れる。この交流電流が受電装置２０４に入力される。受電装置２０４で、交流電流が必要に応じて直流に変換されたり、あるいは周波数変換されたりする。変換後の電流が、ドローンに搭載されている電気機器に供給される。これにより無線電力伝送が行われる。

図１８の例では、筐体８０１の形状は、下部に向かうにつれて直線的に狭くなるスロープになっているが、上部の広がりの減少率（変化率）をより小さくし、下部にいくについて広がりの減少率（変化率）をより大きくする構成も可能である。これにより、ドローンが勢いよく降下した、または設置された際に、ドローンのフレーム２０３が筐体８０１に強く嵌って外れにくくなる事象を軽減できる。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、ドローンのフレーム２０３を、上方から見て錐台の断面の内側形状と概ね相似で、かつドローンの大きさに応じた適切な大きさとすることにより、大きさの異なるドローンへ対応することができる。

なお、前述した他の実施形態を本実施形態と組み合わせることも可能である。例えば、ドローンに荷物を搭載してもよいし、監視用等のカメラをドローンに配置してもよい（図９参照）。また、ドローンに放射エミッション低減のための磁気シールドとして、導体のループ（ダミーループ）を配置してもよい（図１２参照）。地上側において、ドローンと送電装置とを囲む位置にダミーループを置いてもよい（図１３参照）。その他の組み合わせも可能である。

図１９（Ａ）は荷物２１１を載せた例を示す。天板７０１ａに荷物２１１が載せられ、プラスチック等の非導電性部材により保護部材７１１によって固定されている。保護部材７１１は荷物２１１を全方向から覆うものでもよいし、一部の方向（前後方向または左右方向など）から覆うものでもよい。図１９（Ｂ）は、ドローンにカメラ２２１を配置した例を示す。カメラ２２１は、ドローンの着陸時に、磁性体８０２の中空部に収まる。図１９（Ｃ）はドローンにダミーループ２０７を配置した例を示す。ダミーループ２０７は、ドローンが着陸したときに、磁性体８０２の上方に位置するように配置されている。

（第１２の実施形態）
図２０は、第１２の実施形態に係る無線電力伝送装置の電気ブロック図を示す。第１〜１１の実施形態における無線電力伝送の構成は、図２０の構成を有する。

送電側の構成は、高周波電流発生回路（送電回路）３０１と、送電共振器３０２とを備える。送電回路３０１は、直流電力を生成する直流電源３０３、直流電源３０３の直流電力から交流電流を生成するインバータ３０４、ローパスフィルタ３０５を備える。ローパスフィルタ３０５は、一例として、互いに直列に接続された２つのインダクタと、これらのインダクタの間に並列に接続されたキャパシタとを備える。ローパスフィルタ３０５は、インバータ３０４等の出力波形が有する高調波を低減すると共に、当該インバータ３０４の出力インピーダンスと、送電共振器３０２とのインピーダンスの調整変換を行う。送電共振器３０２は、少なくとも送電コイル（図２の送電コイル１０３等に対応）を含む。なお、送電に用いる周波数によっては、送電コイルとの共振周波数を送電に用いる周波数に近づけるため、送電コイルに直列または並列または直並列に接続された少なくとも１つのキャパシタを設けることが考えられる。送電共振器３０２の送電コイルは、ローパスフィルタ３０５を介して入力された交流電流に基づき交番磁界を発生させ、発生させた交番磁界を、受電側の受電共振器３１１の受電コイルに結合させる。

受電側の構成は、受電共振器３１１、受電回路３１２、および電池／電気機器３１３を備える。受電共振器３１１は、少なくとも受電コイル（図１の受電コイル２０２等に対応）を含む。なお、送電に用いる周波数によっては、受電コイルとの共振周波数を送電に用いる周波数に近づけるため、受電コイルに直列または並列または直並列に接続された少なくとも１つのキャパシタを設けることが考えられる。受電共振器３１１は、送電コイルによる近傍磁界を介した電磁誘導で、受電コイルで高周波電流を受信する。受電回路３１２は、ローパスフィルタ３１４と整流回路３１５と平滑回路３１６とを含む。ローパスフィルタ３１４は、例えば、互いに直列に接続されたインダクタと、これらのインダクタの間に並列に接続されたキャパシタとを含む。整流回路３１５は、ローパスフィルタ３１４から入力された交流電流を整流する。整流回路３１５は、例えば４つのダイオードによるダイオードブリッジで構成される。ローパスフィルタ３１４は、整流回路３１５から受電共振器３１１側へ反射する高調波成分を低減すると共に、整流回路３１５およびそれ以降の回路に対するインピーダンスと、受電共振器３１１とのインピーダンスの調整変換を行う。整流回路３１５で整流された電力信号は、平滑回路３１６で平滑化され、電池／電気機器３１３へ供給される。平滑回路３１６は例えばコンデンサにより構成される。負荷は、充電池またはモーター等の電気機器である。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０１、８０１：筐体
１０２、８０２：磁性体
１０３：送電コイル
１０４：送電回路
１０５：蓋
１０６、１０７：マーク
１０８：導体のループ（ダミーループ）
１０９：筐体（箱）
１１０：地中
１３１：筐体
１３２：送電コイル
１３３：磁性体
２０１、７０１：ドローン本体
２０１ａ、７０１ａ：天板
２０１ｂ、７０１ｂ：脚部
２０２：受電コイル
２０３：フレーム
２０４：受電装置
２０５、２０６：支持部材
２１１：荷物
２２１：カメラ
２０７：導体のループ（ダミーループ）
６０１：遮へい部材（アルミ部材）
６０２：磁性体
６０３：導体のループ（ダミーループ）
７１１：保護部材

Claims (14)

1. 上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなり、前記断面の外側形状は非真円であり、かつ、移動体が備えている環状のフレームの内側形状と概ね相似である、移動体設置用の筐体と、
   前記筐体内に配置され、前記筐体の上下方向に連続する磁性体と、
   前記筐体内に配置され、前記磁性体の周囲を囲む送電コイルと、
   を備えた送電装置。
2. 前記筐体は、前記フレームの内側形状と前記断面の外側形状とが概ね一致する向きで、前記フレームと嵌合する
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記筐体の断面の外側形状は、楕円、非正多角形の矩形、または、直線と曲線とを含む形状である
   請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記磁性体の断面積は、前記筐体の前記上方から前記下方に向かって大きくなる
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の送電装置。
5. 前記筐体の下部は開口しており、
   前記開口を介して前記磁性体と結合され、前記筐体の周囲を囲む別の磁性体
   をさらに備えた請求項１ないし４のいずれか一項に記載の送電装置。
6. 前記別の磁性体の外側に磁束を遮へいさせる遮へい部材が形成されている
   請求項５に記載の送電装置。
7. 前記筐体の周囲を囲む導電性の第１ループ、および前記筐体の下方において配置された導電性の第２ループの少なくとも一方
   を備えた請求項１ないし６のいずれか一項に記載の送電装置。
8. 前記筐体の表面に、前記移動体の着陸時に用いる位置合わせ用のマークまたは前記マークの一部が形成されている
   請求項１ないし７のいずれか一項に記載の送電装置。
9. 前記磁性体は、前記フレームと前記筐体とが嵌合した状態において、前記移動体が備える受電コイルによって周囲を囲まれる
   請求項２に記載の送電装置。
10. 前記送電コイルは、前記フレームが前記筐体と嵌合した状態において、前記受電コイルを介して、前記移動体が備える導電性のループに対向し、前記磁性体は、前記導電性のループによって周囲を囲まれない
    請求項９に記載の送電装置。
11. 前記フレームは、中空状に形成されている
    請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の送電装置。
12. 上下方向に連続する磁性体と、
    前記磁性体の上側部分を囲む筐体であって、上方から下方に向かって断面の内側形状が小さくなり、前記断面の内側形状は非真円であり、かつ前記断面の内側形状は、移動体が備えている環状のフレームの外側形状と概ね相似である、移動体設置用の筐体と、
    前記磁性体の下側部分の周囲を囲む送電コイルと、
    を備えた送電装置。
13. 内側形状が非真円形を有する、非金属の環状のフレームであって、前記フレームの前記内側形状は、上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなる移動体搭載用の筐体の前記断面の外側形状と概ね相似である、フレームと、
    前記フレームに沿って巻かれた受電コイルと、
    前記受電コイルの受電電力を用いる受電装置と、
    を備えた移動体。
14. 移動体に設けられ、内側形状が非真円形を有する、非金属の環状のフレームと、
    上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなり、前記断面の外側形状は非真円であり、かつ、前記断面の外側形状は前記フレームの内側形状と概ね相似である、移動体設置用の筐体と、
    前記筐体内に配置され、前記筐体の上下方向に連続する磁性体と、
    前記筐体内に配置され、前記磁性体の周囲を囲む送電コイルと、
    前記送電コイルに交流電流を供給する送電回路と、
    前記フレームに沿って巻かれた受電コイルと、
    前記受電コイルの受電電力を用いる受電装置と、
    前記筐体は、前記フレームの内側形状と前記断面の外側形状とが概ね一致する向きで、前記フレームと嵌合し、
    前記磁性体は、前記フレームと前記筐体とが嵌合した状態において、前記受電コイルによって周囲を囲まれる、
    無線電力伝送装置。