JP5409694B2 - 電力供給装置及び電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車や小型情報通信機器等へ、マイクロ波により電力の供給を行う技術に関するものである。

従来、例えば、電気自動車等の移動体の停車中に、マイクロ波を車両に向けて送出し、このマイクロ波をエネルギーに変換することにより車両のバッテリを充電する技術が知られている（特許文献１等参照。）。
特許文献１には、駐車場やエネルギーステーション等に設けられたエネルギー供給設備から送信されたマイクロ波を車両に搭載されたレクテナにて受信し、このマイクロ波を電気エネルギーに変換して車載のバッテリを充電する技術が開示されている。この特許文献１によれば、メンテナンスの向上を図るためにレクテナは車両のバンパに設置されている。

特開２００４−２２９４２５号公報（第１図、第２図）

しかしながら、マイクロ波による無線送電システムでは、送電アンテナと受電アンテナ間との距離が近いことから、空間に定在波による伝搬モードが発生する。この場合、上述したような従来のエネルギー供給技術では、複数の伝搬モードが同時に発生して互いに電界を弱め合うことによって、伝送効率の低下を招く傾向がある。さらに、自由空間へ電力が漏れることによる伝送効率の低下も避けることができない。その結果として、多くのエネルギー損失が発生することとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波の伝送効率を向上させて、エネルギーの損失を低減させる電力供給装置及び電力供給システムを提供することを目的とする。また、伝送効率を向上させるとともに、エネルギー損失を低減させる電力供給装置及び電力供給システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電力供給装置及び電力供給システムは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の参考例としての発明に係る電力供給装置は、マイクロ波を送出する送電アンテナと、前記送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと前記送電アンテナとの間に発生するマイクロ波の伝搬モードを制限する伝搬モード制限手段とを具備することを特徴とする。

送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと前記送電アンテナとの間に発生するマイクロ波の伝搬モードを、伝搬モード制限手段により制限することとしたので、送電アンテナと受電アンテナとの間（以下、「送受電アンテナ間」という。）に発生する伝搬モードに規則性を持たせることができる。これにより、互いに打ち消し合う伝搬モードの発生を防ぐことが可能となるので、受電アンテナ側で複数の伝搬モードが干渉して電界を弱め合うことを防ぐことができる。
なお、伝搬モードとは、ここでは、定在波の軌跡をいう。

このように、送受電アンテナ間において、電界の干渉を抑制することができるので、伝送効率の向上を図り、エネルギー損失を低減させることができる。
なお、近傍とは、ここでは、送電アンテナと受電アンテナとの距離が０より大きく２Ｄ^２／λ以下のことをいう。ここで、Ｄは送電アンテナの開口面寸法、λは波長である。

さらに、本発明の参考例としての発明に係る伝搬モード制限手段は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間に設けられた導体板であることを特徴とする。
伝搬モード制限手段として、送受電アンテナ間に導体板を設けることとしたので、導体板がある位置を節または腹とする伝搬モードの定在波を発生し易くすることが可能となる。これにより、送受電アンテナ間における定在波の伝搬モードを一様にすることができる。

さらに、本発明の参考例としての発明に係る前記導体板は、前記送電アンテナからλ／４の整数倍の距離に設置されていることを特徴とする。
送電アンテナからλ／４の整数倍の距離に導体板を設置することとしたので、導体板がある位置を節または腹とする伝搬モードの定在波を発生させることができる。これにより、送受電アンテナ間に発生する定在波を安定させることができる。

さらに、本発明の参考例としての発明に係る前記導体板は、接地されていることを特徴とする。
導体板が接地されているので、導体板がある位置を節とする伝搬モードの定在波を発生させることができる。
なお、この場合、導体板がある位置を腹とする伝搬モードに比べて、横方向へ漏れるマイクロ波を少なくすることができる。

さらに、本発明の参考例としての発明に係る前記導体板は、電位を有することを特徴とする。
導体板が電位を有することとしたので、導体板がある位置を腹とする伝搬モードの定在波を発生させることができる。
なお、導体板は、電位を有すればよく、例えば、抵抗を介して導体板を接地させることとすればよい。

また、本発明の参考例としての発明に係る電力供給システムは、マイクロ波を送出する送電アンテナと、前記送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間に発生するマイクロ波の伝搬モードを制限する伝搬モード制限手段とを具備することを特徴とする。

送受電アンテナ間に発生するマイクロ波の伝搬モードを、伝搬モード制限手段により制限することとしたので、送受電アンテナ間に発生する伝搬モードに規則性を持たせることができる。これにより、互いに打ち消し合う伝搬モードの発生を防ぐことが可能となるので、受電アンテナ側で複数の伝搬モードが干渉して電界を弱め合うことを防ぐことができる。このように、送受電アンテナ間において、電界の干渉を抑制することができるので、伝送効率の向上を図り、エネルギー損失を低減させることができる。
なお、近傍とは、ここでは、送電アンテナと受電アンテナとの距離が０より大きく２Ｄ^２／λ以下のことをいう。ここで、Ｄは送電アンテナの開口面寸法、λは波長である。

本発明に係る電力供給装置は、マイクロ波を送出する送電アンテナと、前記送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと前記送電アンテナとの間を取り囲む遮蔽手段とを具備し、前記遮蔽手段は、前記受電アンテナの受電面の側から前記送電アンテナの送電面の側にかけて全ての位置において前記送電アンテナの送電面または前記受電アンテナの受電面の法線に対して所定の角度を有し、かつ、一定の傾斜をもって配置されている導体であることを特徴とする。

送受電アンテナ間を取り囲む遮蔽手段を設けることとしたので、周囲への電力の漏れを低減し、電力の漏洩を防ぐことができる。これにより、伝送効率の向上を図り、エネルギー損失を低減させることができる。
なお、遮蔽手段としては、周囲への電力の漏れを低減させることができるものであればよく、例えば、導体または吸収材により、送受電アンテナ間を取り囲むこととする。

遮蔽手段として、送受電アンテナ間を導体で取り囲むこととしたので、周囲へ漏れる電界を送受電アンテナ間に戻すことができる。これにより、外部へ漏れる電力を低減し、電力の漏洩を防ぐことができる。

また、送電アンテナの送電面または受電アンテナの受電面に対して、所定の角度を付けて導体を配置することとしたので、送受電アンテナ間においてマイクロ波の反射波を散乱させることができる。これにより、遮蔽手段間での横方向の定在波が発生することを防ぐことができる。したがって、送電アンテナから受電アンテナへ送出されるマイクロ波の伝送が、横方向への定在波によって妨げられることがないので、伝送効率の向上を図ることができる。
なお、上記角度は、送受電アンテナ間においてマイクロ波の反射波を散乱させることができるものであればよく、例えば、送電アンテナの送電面または受電アンテナの受電面の法線に対して、左右対称となるような角度としてもよいし、異なる角度としてもよい。

さらに、本発明に係る前記遮蔽手段は、マイクロ波を送出する送電アンテナと、前記送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと前記送電アンテナとの間を取り囲む遮蔽手段とを具備し、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間を取り囲む非平面状態の導体であることを特徴とする。
遮蔽手段を、送受電アンテナ間を取り囲む導体としたので、周囲へ漏れる電界を送受電アンテナ間に戻すことができる。これにより、外部へ漏れる電力を低減し、電力の漏洩を防ぐことができる。

また、導体を非平面状態としたので、送受電アンテナ間においてマイクロ波の反射波を散乱させることができる。これにより、遮蔽手段間での横方向の定在波が発生することを防ぐことができる。したがって、送電アンテナから受電アンテナへ送出されるマイクロ波の伝送が、横方向への定在波によって妨げられることがないので、伝送効率の向上を図ることができる。
なお、非平面状態とする導体は、送受電アンテナ間においてマイクロ波の反射波を散乱させることができるものであればよく、例えば、送受電アンテナ間の距離に対して余分に長さを設けた柔らかい素材をたるませることによって、導体を非平面状態としてもよい。

また、本発明に係る電力供給システムは、上記のいずれかの電力供給装置と、前記受電アンテナとを具備することを特徴とする。

送受電アンテナ間を取り囲む遮蔽手段を設けることとしたので、周囲への電力の漏れを低減し、電力の漏洩を防ぐことができる。これにより、伝送効率の向上を図り、エネルギー損失を低減させることができる。
なお、遮蔽手段としては、周囲への電力の漏れを低減させることができるものであればよく、例えば、導体または吸収材により、送受電アンテナ間を取り囲むこととする。

本発明によれば、伝搬モード間の干渉による伝送効率の低下を抑制するので、伝送効率を向上させて、エネルギーの損失を低減させることができるという効果を奏する。
また、本発明によれば、外部へ漏れる電力を抑制することができるので、伝送効率を向上させるとともに、エネルギーの損失を低減させることができるという効果を奏する。

本発明の参考例としての第一参考実施形態に係る電力供給システムの概略構成図である。 本発明の参考例としての第一参考実施形態における定在波の一例を示した図である。 本発明の参考例としての第一参考実施形態において、導体板を設けない場合の伝送効率を示した図である。 本発明の参考例としての第一参考実施形態において、導体板を設けた場合の伝送効率を示した図である。 本発明の参考例としての第二参考実施形態における定在波の一例を示した図である。 本発明の第一実施形態に係る遮蔽部材の一例を示した図である。 本発明の第二実施形態に係る遮蔽部材の一例を示した図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一参考実施形態］
以下、本発明の参考例としての第一参考実施形態に係る電力供給システム１について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、第一参考実施形態に係る電力供給システム１の概略構成図である。
電力供給システム１は、電力供給装置１１と４つの受電アンテナ４とを主な構成要素として備えている。電力供給装置１１は、送電アンテナ板３上に２行２列に配置された４つの送電アンテナ２と導体板６とを備えている。

上記送電アンテナ２は、例えば、スロットアンテナである。各送電アンテナ２は、マイクロ波を発生させる各マイクロ波発生装置（図示せず）にそれぞれ接続されている。
なお、マイクロ波発生装置としては、例えば、マグネトロンを採用することが可能である。

上記送電アンテナ２の近傍には、受電アンテナ４が対向して配置されている。本実施形態では、受電アンテナ４は、受電アンテナ板５に２行２列で合計４つ設けられている。これら受電アンテナ４は、互いに電気的に接続されており、レクテナ（図示せず）を介して、電力供給先であるバッテリ（図示せず）に接続されている。
本実施形態において、送電アンテナ２と受電アンテナ４との距離は、２０ｍｍに設定されている。

上記送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間には、導体板６が配置されている。この導体板６は、例えば、送電アンテナ２からマイクロ波のλ／４の距離（本実施形態において、例えば、送電周波数が５．８ＧＨｚの場合は、送電アンテナ２から約１３ｍｍの距離）に配置されている。
また、その配置位置は、送電アンテナ２と重ならない位置、例えば、４つ並べられた送電アンテナ２の中央の位置に設けられている。なお、本実施形態において、図２に示すように、導体板６は接地されている。

このような構成を備える電力供給システム１において、各マイクロ波発生装置から発生されたマイクロ波は、各送電アンテナ２から送出され、対向配置される受電アンテナ４によって受電される。このとき、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間を伝搬するマイクロ波には、導体板６があることにより規則性が生じる。具体的には、図２に示すように、電位を有さない導体板６の作用により、導体板６がある位置で節となる伝搬モードの定在波７が発生するので、定在波の伝搬モードを一様にすることができる。

このようにして、一様な伝搬モードで受電アンテナ４へと伝搬するマイクロ波は、受電アンテナ４にて受電され、電力供給路１５を介してレクテナへ出力される。これにより、マイクロ波はレクテナにおいて電気エネルギーに変換される。電気エネルギーに変換された電力は、バッテリへ供給され、バッテリの充電が行われることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る電力供給システム１によれば、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間に導体板６を設けることにより、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間に発生するマイクロ波の伝搬モードを一様にすることができる。すなわち、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間に、互いに打ち消し合う伝搬モードの発生を防止し、導体板６がある位置を節とする伝搬モードの定在波７を発生させることができる。これにより、受電アンテナ４側で複数の伝搬モードが干渉して、電界を弱め合うことを防ぐことができる。その結果として、送電アンテナ２から送出されたマイクロ波を、途中で妨げられることなく受電アンテナ４へ伝送させることが可能となるので、伝送効率を向上させて、エネルギー損失を低減させることができる。

また、導体板６を設けて伝搬モードを一様とすることにより、周囲へ漏れる伝搬モードを低減させることができる。これによって、さらに伝送効率の向上とエネルギー損失の低減が期待できる。

なお、上記実施形態においては、各送電アンテナ２が、各マイクロ波発生装置にそれぞれ接続されていることとしたが、これに代えて、例えば、各送電アンテナが、共通のマイクロ波発生装置に接続されていることとしてもよい。これにより、それぞれが異なるマイクロ波発生装置に接続されている場合に比べて、コストの低減を図ることができる。

次に、本実施形態に係る電力供給システム１の伝送効率について、図３及び図４を用いて以下に説明する。
図３は、本実施形態において、導体板６を設けない場合の伝送効率を示している。
横軸は、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の距離を示している。また、縦軸は、伝送効率を示している。
同図に示すように、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の距離が２０ｍｍの場合、伝送効率は４４％程度であることが分かる。

図４は、本実施形態において、導体板６を設けた場合の伝送効率を示している。
横軸は、導体板６の一辺の長さを示している。また、縦軸は、伝送効率を示している。
同図に示すように、一辺が１５ｍｍの大きさの導体板６を用いた場合に、伝送効率が最高値の５２％を示していることが分かる。

このように、一辺が１５ｍｍの大きさの導体板６を用いたことによって、約８パーセントの伝送効率の向上がみられる。したがって、送電アンテナ２（受電アンテナ４）と導体板６の大きさ、数および配置を調整し、導体板６がある位置で節となる伝搬モードの定在波７を発生させることにより、更なる伝送効率の向上が期待できる。例えば、複数の送電アンテナ２および受電アンテナ４を並べた場合、送電アンテナ２とこれに対向する受電アンテナ４に隣接する受電アンテナとの間においても定在波が発生するので、導体板６を置く位置を調整することが有効といえる。

なお、送電アンテナ２（受電アンテナ４）と導体板６の数および配置は、本実施形態に示す数および配置に限定されるものでない。例えば、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の距離も２０ｍｍに限定されるものではない。また、導体板６は、例えば、一の送電アンテナ２に対向する一の受電アンテナ４との間、つまり一の送電アンテナ２の真上に設けてもよいし、一の送電アンテナ２とこれに対向する一の受電アンテナ４との間に重ならないようにずらした位置に設けることとしてもよい。

更に、上記実施形態においては、導体板６を送電アンテナ２からλ／４の距離に設けたが、この例に限定されない。例えば、送電アンテナからλ／４の整数倍の距離に設けられていてもよい。また、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の距離によって、λ／４の整数倍の位置に一の導体板６を設けることとしてもよく、あるいは、λ／４の距離毎に導体板６を設けることとしてもよい。

[第二参考実施形態]
次に本発明の参考例としての第二参考実施形態について、図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態に係る電力供給システムの概略構成図である。
本実施形態の電力供給システムが第一参考実施形態と異なる点は、導体板６に電位を持たせた点である。
以下、本実施形態の電力供給システムについて、第一参考実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

具体的には、上述の第一参考実施形態においては、導体板６を接地することとしたが、本実施形態では、図５に示すように、抵抗８を介して接地する。このように、抵抗８を介して導体板６を接地することにより、導体板６に電位を持たせることが可能となる。これにより、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間に、導体板６の位置において腹となる伝搬モードの定在波９を発生させることが可能となる。

［第一実施形態］
次に、本発明の第一実施形態について、図６を用いて説明する。
図６は、本実施形態に係る電力供給システムの概略構成図である。
本実施形態の電力供給システムが第一参考実施形態と異なる点は、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間を取り囲む遮蔽部材（遮蔽手段）１６を備えている点である。
以下、本実施形態の電力供給システムについて、第一参考実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態において、遮蔽部材１６は、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間を取り囲むように、四方に設けられている。遮蔽部材１６は、例えば、平面状態の導体によって構成されている。この遮蔽部材１６は、送電アンテナ２の送電面または受電アンテナ４の受電面の法線に対して所定の角度を有して配置される。なお、遮蔽部材１６は、例えば、同図に示すように送電アンテナ２の送電面の法線に対して、左右対称になるような角度を設けて配置してもよく、また左右の角度が異なるように配置してもよい。すなわち、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間において、遮蔽部材１６によって反射するマイクロ波の反射波が散乱するように、角度を付けて配置されればよい。

以上説明したように、第一実施形態に係る電力供給システムによれば、以下の効果を奏する。
送電アンテナ２と受電アンテナ４との間を取り囲む遮蔽部材１６を備えているので、周囲へ漏れる電界を送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間に戻すことができる。これにより、外部へ漏れる電力の漏洩を防ぐことができるので、結果として、伝送効率を向上させてエネルギー損失を低減させることができる。

また、遮蔽部材１６により、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間で生じるマイクロ波の反射波を散乱させることができるので、横方向の伝搬モードの定在波が発生することを防ぐことができる。その結果として、送電アンテナ２から送出されるマイクロ波を、途中で妨げられることなく受電アンテナ４へ伝送させることが可能となるので、伝送効率を向上させて、エネルギー損失を低減させることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態に係る電力供給システムの概略構成図である。
本実施形態の電力供給システムが第一実施形態と異なる点は、遮蔽部材１６を非平面状とした点である。
以下、本実施形態の電力供給システムについて、第一実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態において、遮蔽部材１６は、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間を取り囲むように、四方に設けられている。遮蔽部材１６は、例えば、非平面状態の導体によって構成されている。この遮蔽部材１６は、例えば、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の距離に対して余分に長さを設けた柔らかい素材の導体をたるませることにより、非平面状態とされている。

以上説明したように、第二実施形態に係る電力供給システムによれば、以下の効果を奏する。
送電アンテナ２と受電アンテナ４との間を遮蔽部材１６で取り囲むことにより、周囲へ漏れる電界を送電アンテナ２と受電アンテナ４との間の空間に戻すことができる。これにより、外部へ漏れる電力の漏洩を防ぐことができるので、結果として、伝送効率を向上させて、エネルギー損失を低減させることができる。

また、遮蔽部材１６により、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間で生じるマイクロ波の反射波を散乱させることができるので、横方向の伝搬モードの定在波が発生することを防ぐことができる。その結果として、送電アンテナ２から送出されるマイクロ波を、途中で妨げられることなく受電アンテナ４へ伝送させることが可能となるので、伝送効率を向上させて、エネルギー損失を低減させることができる。

なお、上述した遮蔽手段１６は、一例にすぎず、例えば、電波吸収材によって送電アンテナ２と受電アンテナ４との間を取り囲むこととしてもよい。この場合には、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間を取り囲む電波吸収材によって、周囲へ漏れる電力を反射させずに吸収させることができる。これにより、電波吸収材間において横方向の伝搬モードの定在波が発生することを防ぐことができる。その結果として、送電アンテナ２から送出されたマイクロ波を、途中で妨げられることなく受電アンテナ４へ伝送させることが可能となるので、伝送効率を向上させることができる。

また、上述した遮蔽部材１６の形状は一例であり、この例に限定されない。具体的には、遮蔽部材１６は、送電アンテナ２から送出されるマイクロ波が周囲に漏れることを回避するとともに、横方向（送電面または受電面の法線に直交する方向）における定在波の発生を防止するような形状を有していれば足りる。また、上記第一実施形態および第二実施形態においては、送電アンテナ２と受電アンテナ４との間を四方に渡って遮蔽したが、この例に限られず、少なくとも当該空間の一部が遮蔽されていれば、伝送効率を上げることが可能である。

なお、上述した本発明の電力供給システムは、バッテリの電力供給に広く適用することが可能であり、例えば、電気自動車、電車などの車両やパーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡなどの電子機器のバッテリの充電に適用することが可能である。

例えば、充電対象を車両のバッテリとする場合には、上記受電アンテナ４およびレクテナは、車両に搭載される。この場合において、受電アンテナ４と送電アンテナ２とは常に対向して配置される。例えば、受電アンテナ４が車両の底面付近に配置されている場合には、送電アンテナ２は、例えば、路面に配置される。また、受電アンテナ４が、車両の側面に配置されている場合には、その受電アンテナ４に対向するように送電アンテナ２が配置される。このとき、エネルギーの送受電率を高めるために、受電アンテナ４は、車両等の底面の大部分において、つまり、広範囲に渡って配置されることが望ましい。

また、充電対象を電子機器等のバッテリとする場合には、例えば、受電アンテナ４は、電子機器に搭載され、送電アンテナ２は、受電アンテナ４に対向して配置される。例えば、受電アンテナ４が電子機器の底面付近に配置されている場合には、送電アンテナ２は、前記電子機器が置かれているテーブルなどに設置される。このような構成によれば、テーブルなどに配置された送電アンテナ２から送出されたマイクロ波は、電子機器の底面付近に配置された受電アンテナ４にて受電され、レクテナにてエネルギーに変換されてバッテリに供給されるので、レクテナに接続されるバッテリを充電することが可能となる。
このように、本発明の電力供給システムによれば、無線によってバッテリを充電することが可能となるので、利便性を向上させることが可能となる。

以上、上述のように、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

２ 送電アンテナ
４ 受電アンテナ
６ 導体板
１１ 電力供給装置

Claims (3)

1. マイクロ波を送出する送電アンテナと、
   前記送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと前記送電アンテナとの間を取り囲む遮蔽手段とを具備し、
   前記遮蔽手段は、前記受電アンテナの受電面の側から前記送電アンテナの送電面の側にかけて全ての位置において前記送電アンテナの送電面または前記受電アンテナの受電面の法線に対して所定の角度を有し、かつ、一定の傾斜をもって配置されている導体である電力供給装置。
2. マイクロ波を送出する送電アンテナと、
   前記送電アンテナの近傍に対向して配置される受電アンテナと前記送電アンテナとの間を取り囲む遮蔽手段とを具備し、
   前記遮蔽手段は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間を取り囲む非平面状態の導体である請求項１に記載の電力供給装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力供給装置と、
   前記受電アンテナとを具備する電力供給システム。

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