JP2023085835A - 無線送電装置、無線送電方法、および無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 受電のために着陸しようとするドローンの飛行の制御を容易にする無線送電装置を実現する。【解決手段】 実施形態によれば、無線送電装置は、水平面回転翼により飛行可能であり、少なくとも一部に中空のフレームを有するドローンに対して、電力を伝送する。無線送電装置は、筐体と、送電コイルとを具備する。筐体は、前記ドローンのフレームの内側に挿入可能な部分を少なくとも含む。送電コイルは、前記筐体の前記部分に巻装される。前記筐体の前記部分は、側面に１つ以上の開口部を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無線送電装置、無線送電方法、および無線給電システムに関する。

近年、複数の回転翼（例えば、ロータ、プロペラ）で飛行する移動体が利用されている。複数の回転翼で飛行する移動体は、ドローン、あるいはマルチコプタードローンとも称される。ドローンでは、複数の回転翼それぞれの回転数を制御することで、飛行する方向が制御される。

ドローンには、駆動源である電池が搭載される。ドローンの長距離移動を可能とするために、飛行経路の中継地点および目的地点には、充電のためのポートが配置される。ポートに着陸したドローンには、例えば、無線で電力が供給される。給電のための手間を軽減するために、ドローンに対して無線での電力供給が可能な無線給電システムが開発されている。

無線給電システムは、例えば、ポートに設置された無線送電装置と、ドローンが備える無線受電装置とによって構成される。無線送電装置は、ドローンがポート（例えば、無線送電装置の上部）に着陸した場合に、無線受電装置に電力を供給する。これにより、供給された電力を用いて、ドローンに搭載された電池を充電できる。

ドローンは、ポートに着陸するために下降して、地面（ポートの設置面）に近付いてきた場合、地面を含む周囲の面から吹き上がる風によるあおりを受ける。そのため、ドローンの姿勢は、下降して地面に近付いてきた際に、不安定になる。このような、地面近くを飛行する際の揚力の増加または減少、つり合いモーメントの変化等の現象は、地面効果（ｇｒｏｕｎｄ ｅｆｆｅｃｔ）と称される。ドローンの無線受電装置とポートの無線送電装置との位置を合わせるようにドローンをポートに着陸させる制御は、地面効果によって難しくなる。そして、無線受電装置と無線送電装置が適切な位置関係になければ、給電の効率が損なわれるか、あるいは給電ができなくなる可能性がある。

特開２０１９－２０１４５１号公報 特開２０２０－２０２７３４号公報

幸尾・岡、「地面近くでホバリングするヘリコプタロータに関する実験」、航空宇宙技術研究所報告、１９６６年８月、ＴＲ－１１３

本発明の一形態は、受電のために着陸しようとするドローンの飛行の制御を容易にする無線送電装置、無線送電方法、および無線給電システムを提供する。

実施形態によれば、無線送電装置は、水平面回転翼により飛行可能であり、少なくとも一部に中空のフレームを有するドローンに対して、電力を伝送する。無線送電装置は、筐体と、送電コイルとを具備する。筐体は、前記ドローンのフレームの内側に挿入可能な部分を少なくとも含む。送電コイルは、前記筐体の前記部分に巻装される。前記筐体の前記部分は、側面に１つ以上の開口部を有する。

第１実施形態に係る無線送電装置と移動体とを含む無線給電システムの構成例を示す（Ａ）側面図および（Ｂ）上面図。 比較例に係る無線送電装置の筐体に移動体が降下する場合の気流の例を示す図。 第１実施形態に係る無線送電装置の筐体に移動体が降下する場合の気流の例を示す図。 第１実施形態に係る無線送電装置の構成例を示す（Ａ）側面図および（Ｂ）上面図。 第１実施形態に係る無線送電装置と移動体における給電のための構成例を示すブロック図。 第１実施形態に係る無線送電装置の筐体の外観の例を示す斜視図。 第１実施形態に係る無線送電装置の筐体の外観の例を示す（Ａ）上面図、（Ｂ）第１側面図、および（Ｃ）第２側面図。 第２実施形態に係る無線送電装置の構成例を示す（Ａ）側面図および（Ｂ）上面図。 第１実施形態および第２実施形態に係る無線送電装置の筐体の変形例を示す図。 第１実施形態および第２実施形態に係る無線送電装置の筐体の別の変形例を示す図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る無線送電装置と移動体とを含む無線給電システムの構成例を示す（Ａ）側面図および（Ｂ）上面図である。無線給電システムは、無線送電装置１から移動体２に電力を無線（ワイヤレス）で供給するためのシステムである。無線給電システムは、無線送電装置１と移動体２とによって構成される。図１は、移動体２が無線送電装置１に着陸した状態を例示している。

（移動体２）
移動体２は、水平面回転翼により飛行可能な移動体である。移動体２は、例えば、複数の回転翼（例えば、ローター、プロペラ）を有するマルチコプタードローンである。以下では、無線送電装置１が電力を伝送する対象の移動体２を、ドローン２と称する。

ドローン２は、ドローン本体２０１、フレーム２０３、受電コイル２０２、受電処理装置２０４、および回転翼Ｐを備える。

ドローン本体２０１は、天板２０１ａと脚部２０１ｂとを含む。ドローン本体２０１は、主として、非金属材料により構成されている。この非金属材料は、例えば、カーボン、プラスチック、ガラス繊維、またはカーボンとプラスチックの混合である。なお、ドローン本体２０１の一部（例えば、結合部、ねじ等）は、金属材料で構成されていてもよい。ドローン本体２０１の四隅には、モーターにより駆動される回転翼Ｐがそれぞれ設けられている。天板２０１ａの裏面には、受電処理装置２０４が配置されている。

フレーム２０３は、ドローン２が無線送電装置１に向かって降下した場合に、無線送電装置１上の充電用の位置に当接（嵌合）する部材である。フレーム２０３は、受電処理装置２０４の下方に配置される。フレーム２０３は、天板２０１ａに概ね平行である。

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の内部は中空でなくてもよい。フレーム２０３は、非金属材料により構成される。この非金属材料は、例えば、カーボン、プラスチック、ガラス繊維、またはカーボンとプラスチックの混合である。なお、フレーム２０３の一部に金属材料が含まれていてもよい。

フレーム２０３は非真円形の環状である。より詳しくは、フレーム２０３の内側形状２０３ａおよび外側形状２０３ｂは、非真円形の環状である。図１（Ｂ）に示す例では、フレーム２０３の内側形状２０３ａは長方形である。フレーム２０３の外側形状２０３ｂは、内側形状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の内側形状２０３ａおよび外側形状２０３ｂは、無線送電装置１の上部が挿入可能な形状であればよく、長方形に限らず、楕円、四角形、三角形、五角形等であってもよい。

フレーム２０３は、複数の支持部材２０６（例えば、４つの支持部材２０６）によってドローン本体２０１の天板２０１ａに支持される。また、フレーム２０３は、複数の支持部材２０５（例えば、４つの支持部材２０５）によってドローン本体２０１の脚部２０１ｂと連結され、これにより側方からも支持されている。したがって、フレーム２０３は、ドローン本体２０１に連結されている。

フレーム２０３には受電コイル２０２が搭載されている。図１（Ｂ）に示すように、受電コイル２０２は、フレーム２０３の上面において、環状のフレーム２０３に沿って配置される。配置された受電コイル２０２は、結束バンドや接着剤のような任意の固定手段によってフレーム２０３と連結される。なお、受電コイル２０２は、非金属製のカバーまたはパイプ（筒）に収納されて、フレーム２０３に配置（固定）されてもよい。あるいは、受電コイル２０２は、中空であるフレーム２０３の内部に、環状のフレーム２０３に沿って配置されてもよい。非金属製のカバーまたはパイプ内に、あるいは中空であるフレーム２０３の内部に、受電コイル２０２を設けることにより、受電コイル２０２の防水と汚損の防止とを実現できる。

受電コイル２０２は、磁界結合方式（電磁誘導）により、無線送電装置１によって伝送される電力を受け取るコイルである。受電コイル２０２は、配線を介して受電処理装置２０４に接続されている。受電コイル２０２は、受け取った電力を、受電処理装置２０４に送出する。

受電処理装置２０４は、受電コイル２０２から電力を受け取り、受け取った電力を使用する装置である。受電処理装置２０４は受電回路と負荷とを含む。受電回路は、受電コイル２０２を介して無線送電装置１から無線で電力を受け取る回路である。負荷は、受電回路が受け取った電力を使用する電気機器である。電気機器は、例えば、電力を蓄積する蓄電池（充電池）、または電力を消費する機器である。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は、例えば、ドローン２の回転翼Ｐ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、および移動を制御するコンピュータを含む。

このように、受電コイル２０２と受電処理装置２０４とは、無線送電装置１によって伝送された電力を受け取って、使用する無線受電装置として機能する。

（無線送電装置１）
無線送電装置１は、ドローン２に電力を無線で伝送する装置である。無線送電装置１は、例えば、ドローン２が飛行する飛行経路の中継地点および目的地点それぞれに設けられるポートに設置される。これにより、無線送電装置１は、ポートに着陸したドローン２に対して、電力を伝送できる。

無線送電装置１は、筐体１０１、１つ以上の磁性体１０２、送電コイル１０３、および送電回路１０５を備える。

筐体１０１は、上面１０１Ｔと、１つ以上の側面１０１Ｓ（図１では４つの側面１０１Ｓ）とを含む。１つ以上の側面１０１Ｓは、周面であってもよい。１つ以上の側面１０１Ｓは、１つ以上の開口部１０４を有する。また、上面１０１Ｔは開口部（図示せず）を有していてもよい。上面１０１Ｔの開口部には、ドローン２の中央部に搭載されるカメラ等の搭載物が収納されてもよい。その場合、上面１０１Ｔの開口部から収納された、ドローン２の搭載物が保護されるように、壁面が設けられてもよい。

筐体１０１には、上方から降下したドローン２が着陸する。そのため、筐体１０１は、上方から降下したドローン２が着陸可能な形状を少なくとも含む。上方から降下したドローン２が着陸可能な形状は、例えば、凸構造である。筐体の少なくとも一部は、ドローン２のフレーム２０３の内側に挿入可能である。筐体のうち、ドローン２のフレーム２０３の内側に挿入可能な部分は、垂直方向上向きに凸構造とすることができる。凸構造を有する筐体１０１は、例えば、上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなる。凸構造を有する筐体１０１の断面の外側形状は、フレーム２０３の内側形状２０３ａと概ね相似である。図１に示す例では、筐体１０１は四角錐台であり、その断面の外側形状は長方形である。以下では、筐体１０１全体で凸構造が構成されている場合について例示するが、筐体１０１の一部が凸構造であってもよい。

なお、ドローンが筐体１０１に着陸するとは、ドローン２が自動運転や操縦者による操縦により筐体１０１の上方から降下し、充電用の位置に停止することである。充電用の位置は、ドローン２が筐体１０１の上方から降下し、且つ筐体１０１の凸構造の少なくとも上部がドローン２のフレーム２０３の内側に入り、且つドローン２のフレーム２０３が凸構造の側面１０１Ｓに当接する，あるいは相対する位置である。ドローン２の環状のフレーム２０３は、筐体１０１に係合する。筐体１０１の断面の外側形状が、フレーム２０３の内側形状２０３ａと概ね相似であることにより、フレーム２０３が、特定の向き、且つ特定の高さで、筐体１０１とセルフアラインにより嵌合する。概ね相似するとは、フレーム２０３が筐体１０１に特定の向きおよび高さ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。また、セルフアラインは、ドローン２が筐体１０１に着陸する際に、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の内側形状２０３ａと筐体１０１の断面の外側形状とが同じ向きになるように、ドローン２が誘導されることを意味する。セルフアラインにより、筐体１０１とフレーム２０３との間の位置ずれおよび角度ずれは生じない、あるいは生じにくい。したがって、フレーム２０３は、筐体１０１上の充電用の位置に適切に嵌合する。

以下では、ドローン２が筐体１０１の上方から降下し、且つ筐体１０１の凸構造の少なくとも上部がドローン２のフレーム２０３の内側に入り、且つドローン２のフレーム２０３が凸構造の側面１０１Ｓに当接する，あるいは相対する位置（すなわち、充電用の位置）にあることを、単に、ドローン２が筐体１０１に着陸する、とも称する。

なお、筐体１０１は、ドローン２を載置可能な形状を有するとも云える。ドローン２を筐体１０１に載置するとは、人または機械がドローン２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２が筐体１０１に着陸する場合を主に説明するが、ドローン２を筐体１０１に載置する場合は適宜記載を読み変えればよい。

筐体１０１は、例えば、非金属材料で構成される。この非金属材料は、例えば、アルミ、カーボン、プラスチック、カーボンと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、または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）である。非金属材料の筐体１０１は、磁界結合方式の無線電力伝送で発生する磁界による渦電流の発生を防止する。筐体１０１は、例えば、概ね一定の厚みの板状部材により構成される。あるいは、筐体１０１は、立体の一体型の構成でもよい。

筐体１０１は、磁性体１０２、送電コイル１０３、および送電回路１０５を内蔵する。

送電コイル１０３は、磁界結合方式により、ドローン２に電力を伝送するためのコイルである。送電コイル１０３は筐体１０１の凸構造に巻装される。送電コイル１０３は、ドローン２が筐体１０１の上方から降下して、凸構造の上部がドローン２のフレーム２０３の内側に入った場合に、ドローン２に電力を伝送する。図１（Ａ）に示すように、送電コイル１０３の少なくとも一部の上下方向の位置は、ドローン２が筐体１０１に着陸（すなわち、充電用の位置に停止）したときの、ドローン２の受電コイル２０２の少なくとも一部の上下方向の位置と一致する。送電コイル１０３は、受電コイル２０２と上下方向の位置が一致する場合に、ドローン２に効率良く電力を伝送できる。

磁性体１０２は、送電コイル１０３とドローン２の受電コイル２０２との間の結合係数を向上させ，それにより，給電効率を向上させるための部材である。磁性体１０２は、例えば、フェライトである。磁性体１０２は、ドローン２が筐体１０１に着陸したときの、ドローン２の受電コイル２０２の上下方向の位置を少なくとも含む上下方向に連続した筐体１０１内の空間に配置される。磁性体１０２は、例えば、筐体１０１の側面１０１Ｓに重なり合うように配置される。磁性体１０２は、例えば、任意の固定手段を介して、側面１０１Ｓに対して固定される。

送電回路１０５は、送電コイル１０３へ交流電流を供給する。これにより、送電コイル１０３では交番磁界が発生する。交流電流は、例えば、９ｋＨｚ帯、８５ｋＨｚ帯、または６．７８ＭＨｚ帯である高周波の交流電流である。

ここで、ドローン２とドローン２が着陸するポートとに生じる気流について説明する。地上を流れる気流がポートを通過する場合、気流がポートの左方向、右方向、および上方向へ分かれるときに風上側では気圧が上がり、上昇気流が発生する。一方、風下側では下降気流と同時に乱気流が発生する。まず，図１に示す開口部がない（１０４－１から１０４－４など）筐体１０１に、ドローン２がポートの上方から接近する際、図２に示すように，ドローン２の機体からのダウンウォッシュ（吹き下ろし）５０１が、ポートの周囲に高い気圧を生じさせる。このダウンウォッシュ５０１は，速度が毎秒２０メートルに達するほど速い。このダウンウォッシュ５０１により、筐体１０１の周囲に大きなポートへ向かう渦５０２を生じさせる。その渦５０２が作り出す地面効果は、着陸時にドローン２の機体にドリフト（横滑り）を発生させる。さらに，このドリフトの方向は，上記の地上を流れる気流にも依存し，一定しない。そのため，ドローン２の機体の安定性を著しく悪化させ、また機体を前後左右へ動かす力が発生して、特定の位置に留まることを困難にする。

このような場合、ドローン２の受電コイル２０２と、無線送電装置１の送電コイル１０３との位置を合わせるようにドローン２をポートに着陸させる制御は、地面効果によって難しくなる。そして、受電コイル２０２と送電コイル１０３が適切な位置関係になければ、給電の効率が損なわれるか、あるいは給電ができなくなる可能性がある。

そのため、本実施形態の無線送電装置１の筐体１０１には、開口部１０４が設けられる。図３に示すように，開口部１０４は、筐体１０１の上面１０１Ｔおよび側面１０１Ｓを通過する気流が一定の方向に整流化されることを妨げ、方向性の無い、不規則な乱気流を意図的に発生させる作用を有する。すなわち，この乱気流により，渦５０３が大きな形状とならず，小規模になる。また，気圧はそれほど上昇しなくなる。これにより、ドローン２が筐体１０１に対して着陸または離陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流を拡散できる。つまり、筐体１０１に開口部１０４を設けることにより、地面効果が抑制され、ドローン２が筐体１０１に対して着陸または離陸しようとする際の飛行の制御が容易になる。ドローン２は、飛行中にポートの区域に入ると、ポートに配置された無線送電装置１に向かって下降して、フレーム２０３の内側に筐体１０１（凸構造）の頭頂部が入り込むように制御される。そして、フレーム２０３が筐体１０１の側面１０１Ｓに当接することで、ドローン２の筐体１０１への着陸が完了する。これにより、無線送電装置１の送電コイル１０３と、ドローン２の受電コイル２０２とが対向する。そして、送電コイル１０３に交流電流を流すことで、受電コイル２０２に誘電電流が生じるので、無線送電装置１からドローン２に電力を伝送できる。

開口部１０４の構成について、より具体的に説明する。

図１（Ａ）に示すように、開口部１０４の上下方向の位置は、ドローン２が筐体１０１に着陸したときの、ドローン２の受電コイル２０２の少なくとも一部の上下方向の位置とは異なるように設けられてもよい。つまり、筐体１０１において、ドローン２が筐体１０１に着陸したときに、受電コイル２０２と上下方向の位置が一致する部分には、送電コイル１０３が巻装され、開口部１０４が設けられないようにしてもよい。

開口部１０４－１および１０４－２の少なくとも一部は、ドローン２が筐体１０１に着陸したときのドローン２の受電コイル２０２（あるいは、筐体１０１の側面１０１Ｓに巻装された送電コイル１０３）の上下方向の位置よりも上方に位置している。開口部１０４－３および１０４－４の少なくとも一部は、ドローン２が筐体１０１に着陸したときのドローン２の受電コイル２０２の上下方向の位置よりも下方に位置している。ドローン２が筐体１０１に着陸したときのドローン２の受電コイル２０２の位置の上方および下方それぞれに、開口部１０４－１～１０４－４が設けられることにより、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流を効果的に拡散できる。

また、開口部１０４－１および１０４－３の少なくとも一部は、筐体１０１の側面１０１Ｓの内の磁性体１０２が重なり合う部分に対して、第１の方向（図１（Ａ）では左側）に位置している。開口部１０４－２および１０４－４の少なくとも一部は、筐体１０１の側面１０１Ｓの内の磁性体１０２が重なり合う部分に対して、第１の方向とは異なる第２の方向（図１（Ａ）では右側）に位置している。筐体１０１の側面１０１Ｓの内の磁性体１０２が重なり合う部分に対して、例えば左右それぞれに開口部１０４－１～１０４－４が設けられることにより、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流を効果的に拡散できる。

開口部１０４は、方向性の無い、不規則な乱気流を発生させる任意の数、形状、および面積で設けられる。例えば、筐体１０１は、ドローン２が筐体１０１に着陸するときに、ドローン２のフレーム２０３が適切に嵌合するサイズを有している。また、無線送電装置１に内蔵される送電コイル１０３のサイズ（長さ，幅，厚み）、並びに磁性体１０２の数およびサイズは、例えば、無線送電装置１からドローン２に供給される時間当たりの電力量の仕様に応じて決定される。このような、筐体１０１、送電コイル１０３、および磁性体１０２の構成において、筐体１０１の側面１０１Ｓに設けられる開口部１０４の数、形状、および面積は、例えば、磁性体１０２が筐体１０１（凸構造）の側面１０１Ｓと重なり合う面積と、送電コイル１０３が側面１０１Ｓと重なり合う面積の少なくとも一方に基づいて決定される。これにより、無線送電装置１からドローン２に供給される時間当たりの電力量の仕様を満たしながら、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流を開口部１０４によって効果的に拡散できる。

また、１つの側面１０１Ｓに複数の開口部１０４が設けられる場合、複数の開口部１０４は、メッシュ状または格子状のような特定のパターンで形成されてもよい。この特定のパターンは、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流を拡散する効果を高めるように決定され得る。すなわち、発生する気流が抜けやすいパターンの開口部１０４によって、拡散の効果が高められる。

このように、筐体１０１に設けられる開口部１０４によって、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流が拡散される。これにより、ドローン２の姿勢が不安定になる地面効果が抑制されるので、着陸のためのドローン２の飛行の制御が容易になる。

なお，図１では，開口部１０４を用いて，気流を乱しているが，例えば，筐体１０１の側面１０１Ｓに，ゴルフボールの表面のようなディンプル，あるいは，凸部を設けることで，同様な効果が期待できる。また，一般には，図３で示したようなダウンウォッシュ５０１が筐体１０１表面から抜けるような形状，例えば，開口部１０４から筐体１０１内部へと続く筒のような形状の部品などでも良い。

図４を参照して、無線送電装置１の構成例についてより詳しく説明する。図４は、無線送電装置１の構成例を示す（Ａ）側面図と（Ｂ）上面図である。

筐体１０１の１つ以上の側面１０１Ｓそれぞれは、上面１０１Ｔに対して垂直ではない。１つ以上の側面１０１Ｓそれぞれは、例えば、下方ほど、上面１０１Ｔに対して垂直な位置からより離れるように傾斜している。

送電コイル１０３は、例えば、筐体１０１の側面１０１Ｓの内周に沿って巻装される。したがって、巻装された送電コイル１０３は、非真円形の環状に配置される。送電コイル１０３が巻装される筐体１０１内の上下方向の位置（すなわち、側面１０１Ｓと重なり合う上下方向の位置）は、ドローン２が筐体１０１に着陸したときに、受電コイル２０２と高い結合係数で結合する位置である。

送電コイル１０３の少なくとも一部は、筐体１０１の側面１０１Ｓの内、開口部１０４とは異なる部分と重なり合うように巻装されてもよい。また、送電コイル１０３の少なくとも一部は、非金属製のカバーまたはパイプに収納されて、筐体１０１の側面１０１Ｓの内周に沿って巻装されてもよい。開口部１０４とは異なる部分と重なり合うように巻装されることと、非金属製のカバーまたはパイプ内に送電コイル１０３を設けることの少なくともいずれかにより、送電コイル１０３の内、開口部１０４から外部に露出しない部分に関しては、防水と汚損の防止とを実現できる。したがって、例えば、ドローン２の一部が接触して、送電コイル１０３が破損することを防止できる。

磁性体１０２は、筐体１０１内において上下方向に連続する任意の形状を有する。磁性体１０２の形状は、例えば、板状または筒状である。筒状の磁性体１０２である場合、筒の厚みは、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と比較して、軽量で低コストにできる。

磁性体１０２は、例えば、筐体１０１内の空間において、環状に配置された送電コイル１０３よりも内側であって、筐体１０１の側面１０１Ｓと重なり合うように配置される。つまり、磁性体１０２は、環状に配置された送電コイル１０３の内側を、上下方向に貫通する。磁性体１０２の一端は、例えば、筐体１０１の底面付近に位置する。磁性体１０２の他端は、例えば、筐体１０１の上面１０１Ｔ付近に位置する。なお、磁性体１０２は、環状に配置された送電コイル１０３の内側を上下方向に貫通する形状であれば、その上下方向および左右方向の長さは任意に設定できる。

磁性体１０２の少なくとも一部は、非金属製のカバーまたはパイプに収納されて、筐体１０１の側面１０１Ｓに重なり合うように配置されてもよい。これにより、磁性体１０２の内、開口部１０４から外部に露出しない部分に関しては、防水と汚損の防止とを実現できる。したがって、例えば、ドローン２の一部が接触して、磁性体１０２が破損することを防止できる。

ドローン２が筐体１０１に着陸した場合、送電コイル１０３とドローン２の受電コイル２０２とは、磁性体１０２の周囲を巻回した状態で、フレーム２０３を介して対向する。

この状態において、送電回路１０５が送電コイル１０３に高周波電流を供給した場合、交番磁界が発生する。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に、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から受電処理装置２０４に送出される。交流電流は、受電処理装置２０４において、必要に応じて直流に変換され、あるいは周波数変換され、ドローン２に搭載されている電気機器に供給される。

図５は、無線送電装置１とドローン２における給電のための構成例を示すブロック図である。無線送電装置１は、送電回路１０５と、送電共振器３０２とを備える。ドローン２は、受電共振器３１１と、受電処理装置２０４とを備える。

送電回路１０５は、高周波の電流を発生させる回路である。送電回路１０５は、直流電源３０３、インバータ３０４、およびローパスフィルタ３０５を含む。直流電源３０３は、直流電力を生成する。インバータ３０４は、直流電源３０３によって生成された直流電力から交流電流を生成する。ローパスフィルタ３０５は、例えば、互いに直列に接続された２つのインダクタと、これら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１０３を含む。なお、送電に用いられる周波数によっては、送電コイル１０３との共振周波数を送電に用いる周波数に近付けるため、送電コイル１０３に直列もしくは並列、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。送電コイル１０３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く交番磁界を発生させる。ドローン２が筐体１０１に着陸した場合、発生した交番磁界は、ドローン２の受電共振器３１１の受電コイル２０２に結合する。

受電共振器３１１は、少なくとも受電コイル２０２を含む。なお、送電に用いられる周波数によっては、受電コイル２０２との共振周波数を送電に用いる周波数に近付けるため、送電コイル１０３に直列もしくは並列、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１０３による近傍磁界を介した電磁誘導により、受電コイル２０２で高周波電流を受信する。

受電処理装置２０４は、受電回路３１２と、電池／電気機器３１３とを含む。受電回路３１２は、ローパスフィルタ３１４、整流回路３１５、および平滑回路３１６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２つのインダクタと、これら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。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に供給される。平滑回路３１６は、例えば、コンデンサにより構成される。電池／電気機器３１３は、充電池、またはモーター等の電気機器のような負荷である。

以上の構成により、無線送電装置１は、筐体１０１に着陸したドローン２に対して、無線で電力を供給できる。

図６は、無線送電装置１の筐体１０１の外観の例を示す斜視図である。

前述した通り、筐体１０１は、上面１０１Ｔと１つ以上の側面１０１Ｓとを備える。上面１０１Ｔと１つ以上の側面１０１Ｓとは、凸構造を成す。１つ以上の側面１０１Ｓは、１つ以上の開口部１０４を有する。１つ以上の側面１０１Ｓそれぞれが、１つ以上の開口部１０４を有していてもよい。あるいは、１つ以上の側面１０１Ｓの内の幾つかが、１つ以上の開口部１０４をそれぞれ有していてもよい。

図７は、無線送電装置１の筐体１０１の外観の例を示す（Ａ）上面図、（Ｂ）第１側面図、および（Ｃ）第２側面図である。

図７（Ａ）に示すように、筐体１０１の断面の外側形状は、上方から下方に向かって大きくなる。筐体１０１の断面の外側形状は、例えば、長方形である。

筐体１０１は、筐体１０１の断面の外側形状の長辺を成す側面１０１Ｓ－１および１０１Ｓ－３と、短辺を成す側面１０１Ｓ－２および１０１Ｓ－４とを含む。

図７（Ｂ）に示すように、側面１０１Ｓ－１および１０１Ｓ－３は、例えば、台形である。側面１０１Ｓ－１および１０１Ｓ－３それぞれは、例えば、１つ以上の開口部１０４を有する。

図７（Ｃ）に示すように、側面１０１Ｓ－２および１０１Ｓ－４は、例えば、台形である。側面１０１Ｓ－２および１０１Ｓ－４それぞれは、例えば、１つ以上の開口部１０４を有する。

筐体１０１の側面１０１Ｓ－１～１０１Ｓ－４は、上面１０１Ｔ（あるいは設置面）に対する角度がより垂直に近いほど、筐体１０１に着陸したドローン２が安定しやすい。例えば、無線送電装置１を備えるポートを屋外に設置した場合に、風等の影響があったとしても、着陸したドローン２が、筐体１０１上の充電用の位置からずれたり、筐体１０１から外れたりする可能性を低減できる。

また、筐体１０１の上面１０１Ｔ（頭頂部）のサイズを狭くするほど、ドローン２を筐体１０１に着陸させやすくなる。つまり、筐体１０１の上面１０１Ｔのサイズと、ドローン２のフレーム２０３の内側形状２０３ａのサイズとの差異が大きいほど、ドローン２を筐体１０１に着陸させやすくなる。そのため、ドローン２が着陸する位置精度がやや低い場合でも、ドローン２のフレーム２０３の内側形状２０３ａ内に、筐体１０１の頭頂部が入り込むように、ドローン２を制御できる可能性が高まる。フレーム２０３の内側形状２０３ａ内に、筐体１０１の頭頂部が入り込んだならば、その後、ドローン２が降下するだけで、自己整合的に、ドローン２のフレーム２０３を筐体１０１上の充電用の位置に嵌合させることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、磁性体１０２の少なくとも一部が、筐体１０１の側面１０１Ｓの内、開口部１０４とは異なる部分と重なり合うように配置される。

第２実施形態に係る無線送電装置１およびドローン２の構成は第１実施形態の無線送電装置１およびドローン２と同様であり、第２実施形態と第１実施形態とでは、磁性体１０２の形状および配置のみが異なる。以下、第１実施形態と異なる点を主に説明する。

図８は、第２実施形態に係る無線送電装置１の構成例を示す（Ａ）側面図と（Ｂ）上面図である。

磁性体１０２の少なくとも一部は、筐体１０１の側面１０１Ｓの内、開口部１０４とは異なる部分と重なり合うように配置される。磁性体１０２は、例えば、筐体１０１の側面１０１Ｓの内、開口部１０４とは異なる部分と重なり合う形状を有している。これにより、磁性体１０２の内、開口部１０４から外部に露出しない部分に関しては、防水と汚損の防止とを実現できる。したがって、例えば、ドローン２の一部が接触して、磁性体１０２が破損することを防止できる。

（変形例）
なお、第１実施形態および第２実施形態における筐体１０１は、板状の部材と棒状（パイプ状）の部材の少なくともいずれかを錐体状に組み合わせて連結したフレーム構造であってもよい。この場合、例えば、連結された部材間の隙間が、１つ以上の開口部１０４となる。また、送電コイル１０３および磁性体１０２は、例えば、フレーム構造の筐体１０１内において、連結された部材と重なり合うように配置される。この場合にも、第１実施形態および第２実施形態における筐体１０１と同様に、開口部１０４が設けられることで、地面効果が抑制され、ドローン２が筐体１０１に対して着陸または離陸しようとする際の飛行の制御が容易になるという効果が得られる。

図９および図１０には，筐体１０１の他の構成例を示す。図９は，筐体１０１へ設ける開口部１０４と同様の効果を得るため，棒状あるいは板状の非金属材料を組合せて，筐体１０１Ａを構成している。棒状あるいは板状の非金属材料で囲まれた内部が中空となり，開口部１０４と同様の効果を得ることができる。なお，図９は，複数の三角形で構成することで強度を得るトラス構造で筐体１０１Ａを構成している。図１０に示す筐体１０１Ｂは，図９の構造に加え，棒状あるいは板状の非金属材料で，水平に支持する部品１０６を加えて，さらに強度を高くすることができる。

以上説明したように、第１および第２実施形態によれば、受電のために着陸しようとするドローンの飛行の制御が容易になる。無線送電装置１は、水平面回転翼Ｐにより飛行可能であり、少なくとも一部に中空のフレーム２０３を有するドローン２に対して、電力を伝送する。無線送電装置１の筐体１０１は、ドローン２のフレーム２０３の内側に挿入可能な部分を少なくとも含む。送電コイル１０３は、この筐体の部分に巻装される。この筐体の部分は、側面１０１Ｓに１つ以上の開口部１０４を有する。

筐体１０１の側面１０１Ｓには、開口部１０４が設けられるので、筐体１０１の上面１０１Ｔおよび側面１０１Ｓを通過する気流が整流化することが妨げられ、方向性の無い、不規則な乱気流が発生する。これにより、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行に影響を及ぼす乱気流を拡散できる。つまり、筐体１０１に開口部１０４を設けることにより、地面効果が抑制され、ドローン２が筐体１０１に対して着陸しようとする際の飛行の制御が容易になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…無線送電装置、１０１…筐体、１０１Ｔ…上面、１０１Ｓ…側面、１０２…磁性体、１０３…送電コイル、１０４…開口部、１０５…送電回路、２…移動体（ドローン）、２０１…ドローン本体、２０１ａ…天板、２０１ｂ…脚部、２０２…受電コイル、２０３…フレーム、２０４…受電処理装置、２０５，２０６…支持部材、Ｐ…回転翼。

Claims (13)

1. 水平面回転翼により飛行可能であり、少なくとも一部に中空のフレームを有するドローンに対して、電力を伝送するための無線送電装置であって、
   前記ドローンのフレームの内側に挿入可能な部分を少なくとも含む筐体と、
   前記筐体の前記部分に巻装される送電コイルと、を具備し、
   前記筐体の前記部分は、側面に１つ以上の開口部を有する、
   無線送電装置。
2. 前記筐体の前記部分は垂直方向上向きに凸構造である、請求項１に記載の無線送電装置。
3. 前記送電コイルは、前記筐体の前記部分が前記ドローンのフレームの内側に入った場合に、前記ドローンに電力を伝送可能である、
   請求項１に記載の無線送電装置。
4. 前記送電コイルの少なくとも一部は、前記筐体の前記部分の側面の内、前記１つ以上の開口部とは異なる部分と重なり合うように巻装される
   請求項１に記載の無線送電装置。
5. 前記送電コイルの少なくとも一部は、非金属製のカバーまたはパイプに収納されて、前記筐体の前記部分に巻装される
   請求項１または請求項３に記載の無線送電装置。
6. 前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの上下方向の位置を少なくとも含む上下方向に連続した前記部分内の空間に配置される１つ以上の磁性体をさらに具備し、
   前記１つ以上の磁性体の少なくとも一部は、前記部分の側面の内、前記１つ以上の開口部とは異なる部分と重なり合うように配置される
   請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の無線送電装置。
7. 前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの上下方向の位置を少なくとも含む上下方向に連続した前記部分内の空間に配置される１つ以上の磁性体をさらに具備し、
   前記１つ以上の磁性体の少なくとも一部は、非金属製のカバーまたはパイプに収納されて、前記部分の側面に重なり合うように配置される
   請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の無線送電装置。
8. 前記送電コイルの少なくとも一部の上下方向の位置は、前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの少なくとも一部の上下方向の位置と一致し、
   前記１つ以上の開口部の上下方向の位置は、前記ドローンが前記筐体の上方から降下し、且つ前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの少なくとも一部の上下方向の位置とは異なる
   請求項１に記載の無線送電装置。
9. 前記１つ以上の開口部は、第１開口部と第２開口部とを含み、
   前記第１開口部の少なくとも一部は、前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの上下方向の位置よりも上方に位置し、
   前記第２開口部の少なくとも一部は、前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの上下方向の位置よりも下方に位置する
   請求項１に記載の無線送電装置。
10. 前記部分の少なくとも上部が前記ドローンのフレームの内側に入り、且つ前記ドローンのフレームが前記部分の側面に当接あるいは相対したときの、前記ドローンの受電コイルの上下方向の位置を少なくとも含む上下方向に連続した前記部分内の空間に配置される磁性体をさらに具備し、
    前記１つ以上の開口部は、第１開口部と第２開口部とを含み、
    前記第１開口部の少なくとも一部は、前記部分の側面の内の前記磁性体が重なり合う部分に対して、第１の方向に位置し、
    前記第２開口部の少なくとも一部は、前記部分の側面の内の前記磁性体が重なり合う部分に対して、前記第１の方向とは異なる第２の方向に位置する
    請求項１に記載の無線送電装置。
11. 前記部分は、
    上方から下方に向かって断面の外側形状が大きくなり、かつ、前記ドローンのフレームの内側形状と概ね相似である
    請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の無線送電装置。
12. 水平面回転翼により飛行可能であり少なくとも一部に中空のフレームを有するドローンに対して、電力を伝送するための無線送電装置であって、前記ドローンのフレームの内側に挿入可能な部分を少なくとも含む筐体と、前記部分に巻装される送電コイルとを備える無線送電装置の無線送電方法であって、
    前記筐体の側面に開口部を設け、
    前記部分の上部が前記ドローンのフレームの内側に入った場合に、前記ドローンに電力を伝送する
    無線送電方法。
13. 水平面回転翼により飛行可能なドローンと無線送電装置とによって構成される無線給電システムであって、
    前記ドローンは、
    中空のフレームと、
    前記中空のフレームに搭載される受電コイルとを具備し、
    前記無線送電装置は、
    前記ドローンのフレームの内側に挿入可能な部分を少なくとも含む筐体と、
    前記部分に巻装される送電コイルとを具備し、
    前記筐体の側面は、開口部を有する
    給電システム。

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