JP2013183596A - 無線電力伝送装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線電力伝送装置において、送信アンテナと受信アンテナの位置ずれに対して電力伝送効率の低下が少なく、またインピーダンス整合回路を不要とする。
【解決手段】無線電力伝送装置５０Ａは、自己共振周波数が同一の超低姿勢逆Ｌ型アンテナを送信アンテナ２０および受信アンテナ４０として用い、それらを近接して対向配置し、近傍電磁界領域で共振させて電力伝送を行う。送信アンテナ２０および受信アンテナ４０の途中に設けた給電位置を送受信アンテナ別々に変えることで、送信機１、受信機３とのインピーダンス整合を個別に取ることを可能とする。
【選択図】図２

Description

この発明は電気自動車等の非接触給電に用いる無線電力伝送装置およびそれを用いた無線電力伝送システムに関する。

近年、電気自動車の普及拡大に伴って、自動車に搭載される二次電池等へワイヤレスで充電するための無線電力伝送技術が多く開発されている。無線電力伝送技術の主な方式としては、電磁誘導方式や電磁界共振方式などがある。

電磁誘導方式は、送電コイルと受電コイルを対向させて配置し、いわゆる変圧器を構成して電力の授受を行うものである。送受電コイルの位置合わせが重要であるため、特許文献１には送電コイルもしくは受電コイルのいずれかを可動させる機構を有すること、特許文献２には送受電コイルの位置合わせのためのセンサーとしてそれぞれにループアンテナを備えることが開示されている。また電力伝送効率を上げるために、特許文献１および非特許文献１に、送電コイル、受電コイルのそれぞれが鉄心を有している例が開示されている。

一方、電磁界共振方式は、送信アンテナと受信アンテナを対向配置し、両アンテナを共振させて電力の授受を行うものである。送受信アンテナの位置合わせに電磁誘導方式よりも精度が必要ではないとされているが、送受信アンテナの位置ずれは電力伝送効率を低下させるため、特許文献３、４、５には、送信アンテナおよび受信アンテナをループアンテナで形成し、いずれかを可動させる機構を有すること、もしくは送信アンテナを複数個備えておき最も伝送効率の良いものを選択することが開示されている。特許文献６は、同じく送受信アンテナにループアンテナを用いるが、送受信アンテナの位置ずれによって共振周波数が変化することを補償するために、受信アンテナの自己共振周波数を可変にして、最も伝送効率の良い周波数に調整することが開示されている。また、特許文献４の図２には、周波数を１３．５ＭＨｚもしくは１３５ＫＨｚとする場合、送信アンテナに電力を供給する送信機および受信アンテナから電力を取り出す受信機の中に、それぞれインピーダンスを整合させる整合回路を備えることが開示されている。非特許文献２には、ループアンテナの形状がコイル状のもの及びスパイラル状のものの特性例が開示されている。また非特許文献３には、逆Ｌ型アンテナを軸方向に対向させて配置させたときの特性例が開示されている。

特開２０１１−１８８７３６号公報 特開２０１２−５３０８号公報 特開２０１０−２４６３４８号公報 特表２０１１−５２７８８４号公報 特開２０１０−１８３８１２号公報 特許第４４５３７４１号 昭和飛行機工業非接触給電システムカタログ（同社ホームページ２０１２年１月掲載） 電子情報通信学会技術報告 A・P2011-118(2011-11) 161頁-166頁 電子情報通信学会技術報告 A・P2010-104(2010-11) 69頁-74頁

電磁誘導方式は、送電コイルと受電コイルの位置合わせを厳密に行う必要があり、精密な位置合わせ機構が必要である。また電力伝送効率を上げるために鉄心付きのコイルとすると、自動車側に搭載する受電コイルの重量が大きくなり、自動車の軽量化の要求と相容れない。

ループアンテナを用いる電磁界共振方式においても、送信アンテナと受信アンテナの位置ずれによる電力伝送効率の低下が大きく、位置合わせ機構もしくは共振周波数可変機構などを必要としている。また送信機および受信機にインピーダンス整合回路が必要である。整合回路を設けると、構成素子における電力消費が発生し、電力伝送装置としての総合効率が低下する。また特に受信機側は、受信回路の整流回路の入力インピーダンスが低いため、受信アンテナと受信回路のインピーダンス整合が難しいという課題もある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、電磁界共振方式の無線電力伝送装置において、送信アンテナと受信アンテナの位置ずれに対して電力伝送効率の低下が少なく、また送受信機とのインピーダンス整合回路が不要な送受信アンテナとそれを用いた無線電力伝送装置および無線電力伝送システムを提供するものである。

発明者は先に、表面が接地電位である長方形導体板上に、外導体と中心導体から成る同軸ケーブルを折り曲げ、水平部分が導体板と平行になるように取り付けて成る逆Ｌ型アンテナを発明し、特許出願（特開２０１１−８２９５１号公報）している。この逆Ｌ型アンテナは、上記同軸ケーブルの水平部分と導体板との距離を１波長の約１／３０という超低姿勢にすることによって、水平部分の長さが送受信信号の１波長の約１／４、と小形で簡単な構造ながら高い利得が得られることを特徴としている。また同軸ケーブルの外導体の水平部分の終端位置を変えることでインピーダンスを変化させることが出来るという特徴を有している。

本発明は、この超低姿勢逆Ｌ型アンテナを無線電力伝送装置の送信アンテナおよび受信アンテナとして用いるものであり、送受信アンテナの自己共振周波数が同一となるように上記導体板および同軸ケーブルの寸法を同一とし、それらを同軸ケーブルの水平部分が対向するように配置し、近傍電磁界領域で共振させて電力伝送を行うようにしたものである。また、同軸ケーブルの途中に設けた給電位置を送受信アンテナ別々に変えることで、送信機、受信機とのインピーダンス整合を個別に取ることができるようにしたものである。

本発明に係る無線電力伝送システムは、送信アンテナを有する送信機を備えた自動車の駐車場であって、自動車の前輪もしくは後輪の少なくとも一つの車輪の接地面と当接して進行方向の動きを阻害する車止めと、左もしくは右の前輪および後輪の少なくとも一つの車輪の側面を規制して左右方向の位置を制約する溝を備えた駐車場であって、送信アンテナを、進行方向には、車止めの進行方向基準位置から所定の位置、左右方向には、溝の左右方向の基準位置から所定の位置、高さ方向には、地表面から所定の位置に設置した駐車場と、駐車場に駐車する、受信アンテナを有する受信機を備えた自動車であって、受信アンテナを、進行方向には、車止めに当接する車輪の車止めの進行方向基準位置に相当する基準位置から、送信アンテナの所定の位置と同じもしくは所定の距離短い位置、左右方向には、溝に規制される車輪の左右方向の基準位置から、送信アンテナの所定の位置と同じ位置、高さ方向には、送信アンテナから所定の距離高い位置に設置した自動車から成り、自動車が駐車場に、車止めに当接する車輪が車止めに当接もしくはその近傍にあって、溝に規制される車輪が溝に規制された状態で駐車した後、送信アンテナから受信アンテナに電力を伝送するものである。

本発明によれば、電界および磁界を同軸ケーブル周辺に集中させることが出来るため、送受信アンテナの位置ずれによる電力伝送効率の低下が少ない無線電力伝送装置を得ることができる。またアンテナのインピーダンスを容易に調整することが出来るため、送信機および受信機のインピーダンス整合回路を不要とし、したがって整合回路での電力消費がなく、総合効率の高い無線電力伝送装置を得ることができ、電気自動車等の非接触給電に用いる無線電力伝送システムを得ることができる。

本発明の第１の実施の形態による送信アンテナ構成例を示す斜視図 本発明の第１の実施の形態による無線電力伝送装置の構成図 本発明の第１の実施の形態による受信アンテナの整流回路を示す斜視図 本発明の第１の実施の形態による電圧透過特性および電圧反射特性を示す特性図 本発明の第１の実施の形態による送受信アンテナ近傍での最大電界強度、最大磁界強度の周波数特性を示す特性図 本発明の第１の実施の形態による伝送効率とｗ方向間隔の関係を示す特性図 本発明の第１の実施の形態による伝送効率とｘ方向距離の関係を示す特性図 本発明の第１の実施の形態による伝送効率とｙ方向距離の関係を示す特性図 本発明の第２の実施の形態による無線電力伝送装置の構成図 本発明の第３の実施の形態による無線電力伝送システムの駐車場を示す図 本発明の第３の実施の形態による無線電力伝送システムの自動車を示す図（その１） 本発明の第３の実施の形態による無線電力伝送システムの自動車を示す図（その２） 本発明の第４の実施の形態による無線電力伝送システムの駐車場と自動車を示す図 本発明の第４の実施の形態による無線電力伝送システムの動作を示す図

以下、発明を実施するための最良の形態（以下実施の形態とする）について説明する。
＜１．第１の実施の形態＞
［送信側のアンテナ構成例］
まず、本発明に係る無線電力伝送装置５０Ａを構成する送信側のアンテナ構成の一例について説明する。受信側のアンテナ構成については、送信側のアンテナ構成と給電位置が異なる点や、整流回路および平滑回路を備える点を除いては略同一の構成であるので、詳細な説明は便宜上省略する。図１は、第１の実施の形態の例の送信側のアンテナ構成を示した図である。以下に示す図面では、説明の便宜上、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸で規定される３次元の直角座標系を定義する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上拡張されており、実際の比率と異なる場合がある。

本実施の形態においては、超低姿勢逆Ｌ型アンテナとして構成したものである。図１に基づいて構成を説明すると、四角形の所定サイズとされた有限導体としての導体板１０を使って、送信アンテナ２０として構成してある。導体板１０は、少なくとも表面を接地電位部としてある。導体板１０のサイズについては後述する。

送信アンテナ２０は、同軸ケーブル２７を有している。導体板１０の表面の所定箇所には、同軸ケーブル２７の一方の端部を接続した接続点２１を設けてある。この同軸ケーブル２７は、中心導体２４と外導体２６とを備える。後述する図２に断面で示すように、同軸ケーブル２７は、中心に配置された中心導体２４の外側を囲むように絶縁体（誘電体）２５が配置してあり、その絶縁体２５の外側を囲むように外導体２６が配置してある。同軸ケーブル２７は、導体板１０との接続点２１で、接地電位部である導体板１０の表面と外導体２６とを電気的に接続してあり、外導体２６が接地電位部となっている。

この接続点２１に一方の端部が接続された同軸ケーブル２７は、所定距離ｈだけ導体板１０の表面と離れた位置を曲折箇所２２として折り曲げて、その折り曲げられた同軸ケーブル２７の先端側が、導体板１０の表面と平行になるように配置してある。導体板１０の表面と同軸ケーブル２７の中心とを離す距離ｈについては、同軸ケーブル２７と導体板１０との結合を強くし、電磁波をアンテナ近傍のみに励振させるために、例えば本例のアンテナで送信する信号の１波長の約１／４０とする。

曲折箇所２２で折り曲げられて導体板１０と平行に伸びた同軸ケーブル２７は、中心導体２４だけを中心導体端部２４ａまで長さＬ_０に伸ばしてあり、外導体２６については、その長さＬ_０よりも短い長さＬ_１の位置を、外導体端部２３としてある。この外導体２６を切断した位置が、このアンテナの給電点となる。この外導体端部２３の位置の近傍で、絶縁体２５についても端部として、切断してある。

曲折箇所２２から中心導体端部２４ａまでの長さＬ_０については、例えばこの送信アンテナ２０で送信する信号の１波長の約１／４とする。このように伸ばされた中心導体２４と長さＬ_１の外導体２６が、本例の超低姿勢逆Ｌ型アンテナのアンテナ素子として機能する。外導体２６の長さＬ_１については、送信アンテナ２０のインピーダンスが所望の値になるように設定する。即ち、このように構成した場合、中心導体２４の長さと、曲折箇所２２から外導体２６の外導体端部２３までの長さとの設定で、インピーダンスを任意の値に設定できる。ここでは、このインピーダンスを、給電線のインピーダンス値と一致させて、給電線と整合させてある。これらの値の具体的な例については後述する。

［無線電力伝送装置の構成例］
次に、本発明の第１の実施例の無線電力伝送装置５０Ａの構成例について説明する。図２は、無線電力伝送装置５０Ａの断面構成の一例を示している。図２に示すように、無線電力伝送装置５０Ａは、送信機１と、この送信機１と所定の距離を隔てて対向配置された受信機３とを備えている。

送信機１は、所定の大きさの筐体１１を有している。筐体１１の内部には、送信アンテナ２０と発振回路１２とが設置されている。送信アンテナ２０を構成する導体板１０は、筐体１１の内壁面に設けられた段差部１１ａに取り付けられている。導体板１０の接続点２１には、上面から下面まで貫通した孔１０ａが設けてあり、その孔１０ａに、同軸ケーブル２７の中心導体２４を通過させてある。例えば絶縁体２５についても孔１０ａを貫通させて、中心導体２４が導体板１０の表面などと電気的に接触しない構成としてある。このとき、送信アンテナ２０は、受信機３の受信アンテナ４０と対向するように、同軸ケーブル２７の水平部を導体板１０の上面側に向けて導体板１０の孔１０ａに取り付けられている。

送信機１の外部には、電源１３が設置されている。電源１３は、ケーブル等を介して発振回路１２に接続されており、例えば交流電力を発振回路１２に供給する。発振回路１２は、導体板１０の下面側に引き出された外導体２６と中心導体２４とにそれぞれ接続されており、電源１３から供給される電力を所定の周波数の電力に変換して外導体２６および中心導体２４に供給する。

受信機３は、送信機１と同様に、所定の大きさの筐体３１を有している。筐体３１の内部には、受信アンテナ４０と平滑回路３３とが設置されている。受信アンテナ４０を構成する導体板３０は、筐体３１の内壁面に設けられた段差部３１ａに取り付けられている。導体板３０の同軸ケーブル接続部４１には、上面から下面まで貫通した孔３０ａが設けてあり、その孔３０ａに、同軸ケーブル４７の中心導体４４を通過させてある。例えば絶縁体４５についても孔３０ａを貫通させて、中心導体４４が導体板３０の表面などと電気的に接触しない構成としてある。このとき、受信アンテナ４０は、送信機１の送信アンテナ２０と対向するように、同軸ケーブル４７の水平部を導体板３０の下面側に向けて導体板３０の孔３０ａに取り付けられている。また、同軸ケーブル４７の延在方向は、送信機１側の同軸ケーブル２７の延在方向と平行とされる。なお、本実施例において対向とは、後述するように、送信機１の送信アンテナ２０と受信機３の受信アンテナ４０とがｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に多少ずれて配置された場合も含むものとする。

導体板３０の下面側に引き出された同軸ケーブル４７の先端側の開口部４８には、中心導体４４と外導体４３の端部の間に、ダイオードで構成される整流回路３２が接続されている。整流回路３２は、受信機３の同軸ケーブル４７で受信した電力を整流して平滑回路３３に供給する。なお、整流回路３２の詳細については後述する。平滑回路３３は、例えばコンデンサ等から構成され、この導体板３０の上面側に引き出された外導体４６と中心導体４４との間に設けられた整流回路３２に接続されている。平滑回路３３は、外導体４６と中心導体４４との間に設けられた整流回路３２で整流された電力を平滑化し、平滑化した電力を二次電池３４に供給する。

二次電池３４は、充放電可能な直流電池であり、例えばリチウムイオンやニッケル水素等の二次電池から構成されている。二次電池３４の電圧は、例えば２００Ｖである。二次電池３４は、例えば筐体３１の外部に設置され、平滑回路３３から供給される平滑化された電力を蓄電する。

受信アンテナ４０の同軸ケーブル４７の水平部の長さＬ_０および高さｈは、送信アンテナ２０の同軸ケーブル２７の長さＬ_０および高さｈと等しい。また受信アンテナ４０の導体板３０と送信アンテナ２０の導体板１０の寸法は等しい。したがって、送信アンテナ２０および受信アンテナ４０のそれぞれの自己共振周波数が等しくなる。さらに受信アンテナ４０の同軸ケーブル４７と送信アンテナ２０の同軸ケーブル２７の間隔ｗは、近傍電磁界領域となる距離である。受信アンテナ４０の同軸ケーブル４７の外導体４６の長さＬ_２は、一般的には受信機３の回路インピーダンスが送信機１より低いため、送信アンテナ２０の外導体２６の長さＬ_１よりも短い。

［受信機の整流回路の構成例］
次に、受信機３の整流回路３２について説明する。図３は、整流回路３２を示す斜視図である。図３に示すように、整流回路３２は、整流素子３２ａ，３２ｂを有している。整流素子３２ａ，３２ｂはダイオードである。整流素子３２ａは、一端が中心導体４４と接続点３２ａ１で、他端が外導体４３と接続点３２ａ２で接続されている。整流素子３２ｂは、一端が中心導体４４と接続点３２ｂ１で、他端が外導体４３と接続点３２ｂ２で接続されている。整流素子３２ａおよび３２ｂは、中心導体４４から外導体４３の方向に電流が流れる向きに接続されている。

［送信機および受信機の設計例］
次に、送信機１および受信機３の設計例について図１および図２を用いて説明する。なお、Ｌ_１，Ｌ_２以外の寸法については送信機１と受信機３との間で同一の値であるので、以下の説明では主として図１に示した送信機１の寸法について説明する。

計算例では、設計周波数（共振周波数）を１００ＭＨｚとし、導体板の大きさを、ｐｘｍ＝ｐｘｐ＝２７５ｍｍ，ｐｙｍ＝２０８ｍｍ，ｐｙｐ＝１０７５ｍｍに固定している。同軸ケーブル２７と導体板１０との結合を強くして、同軸ケーブル２７の近傍に電磁界を集中させるために、超低姿勢逆Ｌ型アンテナの高さｈを７０ｍｍ（約４３分の１波長）と極めて低くしている。同軸ケーブル２７の直径は、同軸ケーブル２７の基部から給電点までは３．５８ｍｍ、給電点から中心導体２４の先端までは０．９１ｍｍである。Ｌ_０、Ｌ_１およびＬ_２はアンテナ間隔ｗに応じて、送信回路、受信回路とインピーダンス整合を取るように最適化している。例えば、送信アンテナ２０、受信アンテナ４０のいずれの入力インピーダンスも５０オームに整合させる場合には、ｈ＝７０ｍｍ，ｗ＝１４０ｍｍのとき、Ｌ_０＝７２７．３ｍｍ，Ｌ_１＝Ｌ_２＝５８３．２ｍｍであった。以下に、これらの送信機１および受信機３の設計例を前提とした各種特性について説明する。前述のように一般的にはＬ_２ ＜ Ｌ_１であるが、以下の各種特性については両者が一致していても違いがないため、このような設計例とした。

（電圧透過係数と電圧反射係数の周波数特性例）
まず、電圧透過係数と電圧反射係数の周波数特性について説明する。図４は、電圧透過係数と電圧反射係数の周波数特性を示す。図４において縦軸はＳパラメータ（電圧透過係数・電圧反射係数）であり、横軸は周波数である。図４の細線に示すように、送信アンテナ２０の電圧反射係数|Ｓ₁₁|、および受信アンテナ４０の電圧反射係数|Ｓ₂₂|は、設計周波数１００ＭＨｚで約−３０ｄＢと極めて深い単峰性の谷となっており、送信アンテナ２０および受信アンテナ４０の入力インピーダンスが５０オームに整合されていることを示している。同図の太線に示す電圧透過係数|Ｓ₂₁|は同じく設計周波数１００ＭＨｚで−０．３５ｄＢと大きな単峰性の山となっており、送信機１の送信アンテナ２０から受信機３の受信アンテナ４０に効率よく電力が伝送されていることを示している。このとき、後述するように、電力伝送効率は９２．２％となる。

これに対して、非特許文献２の図１に示すコイル状のループアンテナでは、同文献の図２のようなＳパラメータ特性を示す。すなわち電圧反射係数|Ｓ₁₁|は双峰性の谷を有し、電圧透過係数|Ｓ₂₁|はこれに呼応して、中央部がわずかに凹んだ双峰性の山となっている。これは送信アンテナと受信アンテナの相互作用によるものであり、このようなアンテナに不可避の現象である。同文献の図９に示すスパイラル状のループアンテナにおいても、同文献の図１０に示すように、電圧透過係数|Ｓ₂₁|が同様の特性となっている。また非特許文献３の図１に示す逆Ｌ型アンテナを軸方向に対向するように配置した系においても、同文献の図２のように、電圧反射係数|Ｓ₁₁|は双峰性の谷を有し、電圧透過係数|Ｓ₂₁|はこれに呼応して、中央部がわずかに凹んだ双峰性の山となっている。結果として、これらのアンテナでは、電圧透過係数すなわち電力伝送効率|Ｓ₂₁|のピーク値が低くなり、効率的な電力伝送が行えない。また送受信アンテナの相互作用は、両アンテナの相対位置によって変化するため、アンテナの位置ずれによって系全体の共振周波数が変化する。したがって送信アンテナから発信する電力の周波数が一定の場合、アンテナの位置ずれによって電力伝送効率が変動、低下する。

本実施の形態の超低姿勢逆Ｌ型アンテナは、送信アンテナ２０の導体板１０と同軸ケーブル２７間の高さ、および受信アンテナ４０の導体板３０と同軸ケーブル４７間の高さを１波長の約１／４０以下として結合を強くしたこと、および送受信アンテナを同軸ケーブル２７，４７の水平部分が対向するように配置したことによって、送受信アンテナの相互作用を受けにくくしている。それにより電力伝送効率が良く、また送受信アンテナの位置ずれに強い電力伝送を行うことができる。

（送受信アンテナ近傍の最大電界強度、最大磁界強度の周波数特性）
次に、送受信アンテナの同軸ケーブル２７，４７近傍での最大電界強度、最大磁界強度の周波数特性の一例について説明する。図５は、設計例における送受信アンテナの同軸ケーブル２７，４７近傍での最大電界強度、最大磁界強度の周波数特性を示す。図５（ａ）が電界強度、図５（ｂ）が磁界強度である。図５（ａ）において縦軸は最大電界強度であり、横軸は周波数である。図５（ｂ）において縦軸は最大磁界強度であり、横軸は周波数である。

図５（ａ）に示すように、送受信アンテナの共振周波数（１００ＭＨｚ）で、送受信アンテナの同軸ケーブル２７，４７近傍に電界が強く励振されている。同様に、図５（ｂ）に示すように、送受信アンテナの共振周波数（１００ＭＨｚ）で、送受信アンテナの同軸ケーブル２７，４７近傍に磁界が強く励振されている。したがって、本実施の形態の超低姿勢逆Ｌ型アンテナは、所定の設計周波数において電磁界を局所に集中させることができ、それにより電力伝送効率が良く、また送受信アンテナの位置ずれに強い電力伝送を行うことができる。

（送受信アンテナ間の間隔（Ｚ方向）と電力伝送効率との関係例）
次に、送受信アンテナ間の間隔ｗ（図２参照）と電力伝送効率との関係の一例について説明する。図６は、送受信アンテナ間の間隔ｗと電力伝送効率との関係を示す特性図である。図６において、縦軸は電力伝送効率であり、横軸は送受信アンテナ間の間隔ｗである。電力伝送効率の最大値は、送受信アンテナ間の間隔ｗが約１４０ｍｍのところで９２．２％である。送受信アンテナのアンテナ間隔ｗを１２０ｍｍから１６０ｍｍまで変えても、電力伝送効率は９０％以上である。

（送受信アンテナ間のｘ方向の距離と電力伝送効率との関係例）
次に、送受信アンテナをｘ方向にずらした場合の電力伝送効率を示す特性の一例について説明する。図７は、アンテナ間距離を１４０ｍｍとして、送受信アンテナをｘ方向にずらした場合の電力伝送効率を示す特性図である。図７において、縦軸は電力伝送効率であり、横軸は送受信アンテナ間のｘ方向の距離である。電力伝送効率の最大値は、０ｍｍすなわち送受信アンテナの位置が一致したところで９２．２％である。送受信アンテナをｘ方向に７０ｍｍずらしても、伝送効率は９０％以上である。

（送受信アンテナ間のｙ方向の距離と電力伝送効率との関係例）
次に、送受信アンテナをｙ方向にずらした場合の電力伝送効率を示す特性の一例について説明する。図８は、アンテナ間距離を１４０ｍｍとして、送受信アンテナをｙ方向にずらした場合の電力伝送効率を示す特性図である。図８において、縦軸は電力伝送効率であり、横軸は送受信アンテナ間のｙ方向の距離である。

電力伝送効率の最大値は、０ｍｍすなわち送受信アンテナの位置が一致したところで９２．２％である。送受信アンテナをｙ方向に７０ｍｍずらしても、電力伝送効率は９０％以上である。

したがって本実施例によれば、ｗ（ｚ）方向、ｘ方向、ｙ方向に対する距離の変動に強く、インピーダンス整合が不要で総合効率が良い、無線電力伝送装置５０Ａを得ることができる。また、導体板１０，３０で送信アンテナ２０および受信アンテナ４０の上下を挟み込んだ格好になるので、電磁波遮蔽が容易である。アンテナ構造が簡便なこと、かつ整合回路が不要なので低コスト、という効果もある。さらに、送信アンテナ２０および受信アンテナ４０の高さを約４０分の１波長とするので、送信アンテナ２０と導体板１０および受信アンテナ４０と導体板３０の結合を強くし、電磁波をアンテナ近傍のみに励振させることができる。これにより、周囲への電磁波の漏洩を抑えることができ、送受信アンテナの位置ずれによる電力伝送効率の低下が少ない無線電力伝送装置５０Ａを得ることができる。

＜２．第２の実施の形態＞
第２の実施の形態では、送信アンテナ２０および受信アンテナ４０の同軸ケーブルを複数本で構成している点において、送信アンテナ２０および受信アンテナ４０の同軸ケーブルを単数で構成している上記第１の実施の形態とは相違している。なお、その他のアンテナの構成および機能は、上記第１の実施の形態と同様であるため、共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、第２の実施の形態に係る無線電力伝送装置５０Ｂの構成の一例を示す断面図である。無線電力伝送装置５０Ｂは、送信機２と受信機４とを備えている。送信機２は、筐体１１の内部に３本の同軸ケーブル２７ａ，２７ｂ，２７ｃを有している。３本の同軸ケーブル２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、これらの基部が各水平部（同軸ケーブル）の延在方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向）に等間隔で並んで導体板１０上に配置されると共に、各同軸ケーブル２７ａ，２７ｂ，２７ｃの各水平部がｙ方向に沿って平行で延在している。

受信機４も受信機３と同様に、筐体３１の内部に３本の同軸ケーブル４７ａ，４７ｂ，４７ｃを備えている。３本の同軸ケーブル４７ａ，４７ｂ，４７ｃは、これらの基部が各水平部の延在方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向）に等間隔で並んで導体板１０上に配置されると共に、各同軸ケーブル４７ａ，４７ｂ，４７ｃの各水平部（同軸ケーブル）がｙ方向に沿って平行で延在している。同軸ケーブル４７ａ，４７ｂ，４７ｃの配置間隔は、送信機２側の同軸ケーブル２７ａ，２７ｂ，２７ｃの配置間隔と同一ピッチとなっている。

したがって本実施例によれば、同軸ケーブル１本当たりの許容電力の３倍の電力の伝送が可能であり、高い電力を供給するのに好適な無線電力伝送装置を得ることができる。なお、同軸ケーブル２７，４７の本数は、導体板１０，３０のｘ方向中心振り分けで２本でもよく、また４本、５本以上でもよい。

＜３．第３の実施の形態＞
第３の実施の形態では、上記第１の実施の形態で説明した無線電力伝送装置５０Ａを自動車の非接触充電に適用した無線電力伝送システム５００Ａの一実施例を図１０，図１１を用いて説明をする。なお、本実施例で説明する無線電力伝送装置５０Ａの構成および機能は、上記第１の実施の形態と同様であるため、共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

［駐車場の構成例］
無線電力伝送システム５００Ａは、駐車場１００と自動車２００とから構成されている。まず、図１０を用いて駐車場１００の構成例について説明する。図１０（ａ）は、駐車場１００の構成の一例を示す平面図である。本駐車場１００は自動車をバックで駐車することを前提としている。図１０（ａ）に示すように、駐車場１００は、車止め１０１と、対となる右溝ブロック１０２および左溝ブロック１０３と、白線１０４と、送信機１と、阻害ブロック１０５とを備えている。

車止め１０１は、自動車の後退端に対応した地上面に設置され、例えば右後輪２０１の接地面と当接して進行方向の動きを阻害する。前向き駐車の場合には、例えば左前輪の接地面と当接して進行方向の動きを阻害する。右溝ブロック１０２と左溝ブロック１０３は、自動車の右側車輪位置に対応した地上面に設置され、両者で車輪（例えば右後輪２０１）の側面を規制する溝１２３を形成している。この溝１２３は、左後輪側に設けても良いし、右後輪側および左後輪側の双方に設けることもできる。また、前向き駐車の場合、溝１２３は自動車の前輪の側面を規制する。白線１０４は溝１２３の位置を明示する位置に、駐車場１００の地上面に描かれている。送信機１は駐車場１００の地面に埋設されている。阻害ブロック１０５は、自動車の車輪が誤って送信機１の上を通過しないよう、送信機１よりも入口側の地上面に設置されている。

送信機１のアンテナを構成する同軸ケーブル２７は、その長手方向すなわちＹ方向が、車止め１０１と平行になるように設置されている。送信アンテナ基準位置２７ａｃが、左右方向が溝１２３の中心である左右方向基準位置ＲｏからＲｐの距離、進行方向が車止め１０１の進行方向基準位置ＤｏからＤｐの距離になるよう設置されている。このように送信機１の埋設位置を設定することで、駐車される自動車に内蔵された受信機３の受信アンテナ４０と対向する位置に送信機１の送信アンテナ２０を位置させることができるようになる。

図１０(ｂ)は、図１０（ａ）のＡ矢印方向から見た駐車場１００の側面図である。図１０（ｂ）では、送信機１の付近を断面にしている。車止め１０１の駐車される自動車と対向する面は、その上面から地上面に向かって車止め１０１が幅広となるような傾斜面１０１ａとなっている。進行方向基準位置Ｄｏは、車止め１０１の傾斜面１０１ａが地面と交わる箇所である。阻害ブロック１０５は、自動車の車輪が誤って送信機１の上を通過しないよう、十分な高さを有している。

図１０(ｃ)は、図１０(ａ)のＢ矢印方向から見た断面図である。右溝ブロック１０２と左溝ブロック１０３は左右対称の形状であり、溝１２３の中心が左右方向基準位置Ｒｏである。右溝ブロック１０２および左溝ブロック１０３のそれぞれ対向する面は、上面から地上面に向かってブロック幅が幅広となるような傾斜面となっている。送信機１の同軸ケーブル２７の垂直部分の中心が、送信アンテナ基準位置２７ａｃであり、左右方向基準位置ＲｏからＲｐの距離に位置している。

［自動車を駐車場に駐車した場合の自動車と駐車場の位置関係例］
次に、図１１を用いて自動車２００を駐車場１００に駐車した場合の自動車２００と駐車場１００との位置関係の一例について説明する。図１１（ａ）は自動車２００を駐車場１００に駐車した場合の自動車２００と駐車場１００との位置関係例を示す平面図である。図１１（ａ）に示すように、右後輪２０１と左後輪２０２が、車止め１０１と当接する位置に駐車してある。右後輪２０１は、後述するように溝１２３に規制された位置にある。受信機３は、駐車場１００に埋設された送信機１と対向するような自動車２００の底部の位置に搭載されている。

受信機３のアンテナを構成する同軸ケーブル４７は、その長手方向すなわちＹ方向が、車止め１０１と平行になるように設置されている。受信アンテナ基準位置４７ａｃは、左右方向では右後輪２０１の左右方向中心ＲＴｏからＲｃの距離であり、このＲｃは送信アンテナ基準位置２７ａｃの距離Ｒｐと同一である。進行方向では、車止め１０１の進行方向基準位置Ｄｏに相当する基準位置ＤＴｏからＤｃの距離になるように同軸ケーブル４７が設置されている。基準位置ＤＴｏは、車輪の直径と車止め１０１の傾斜面１０１ａの傾斜角から決定される仮想位置であって、車輪が車止め１０１に当接している状態では進行方向基準位置Ｄｏと一致する。

図１１(ｂ)は、図１１(ａ)のＡ矢印方向から見た側面図である。送信機１、受信機３の付近を断面にしている。受信機３の同軸ケーブル４７の水平部の中心は、高さ方向では、送信機１の同軸ケーブル２７の水平部の中心よりも間隔（距離）Ｗだけ高い位置に設置されている。進行方向では、受信アンテナ基準位置４７ａｃが基準位置ＤＴｏからＤｃの位置にある。送信機１の同軸ケーブル２７の水平部の中心は、進行方向基準位置ＤｏからＤｐの距離にあり、ＤｐとＤｃの差はｄである。

図１２(ａ)は、自動車２００が車止め１０１に当接して停止した後、駐車ブレーキを入れる前に、リバンウンドして、前進方向にΔＤ戻った状態を示す。図１１(ｂ)におけるＤｐとＤｃとの差ｄは、このΔＤの見積もり最大値の１/２となるように設定される。

図１２(ｂ)は、図１１(ａ)のＢ矢印方向から、自動車２００の車輪部分を見た側面図である。右後輪２０１は、その側面を、右溝ブロック１０２の斜面部１０２ａと左溝ブロック１０３の斜面部１０３ａに規制されている。右溝ブロック１０２と左溝ブロック１０３が対称形であるため、右後輪２０１の左右方向中心ＲＴｏは、溝１２３の左右方向基準位置Ｒｏと概略一致する。溝１２３の底部の幅Ｔｐは、右後輪２０１の幅Ｔの最小値よりも小さい値とする。

続けて、以上述べた図１０から図１２の構成において、以下具体的な数値を入れて、その作用について説明する。

（高さ方向）
図１１(ｂ)における受信機３の同軸ケーブル４７の中心と送信機１の同軸ケーブル２７の中心との高さ方向間隔Ｗを、例えば１５０ｍｍ近傍とする。実際の高さ方向間隔ｗは、タイヤの空気圧および積載荷重により変化する。タイヤ空気圧が正常最大値、積載荷重が最小値のとき、すなわち最も高い場合のｗ＝Ｗとする。タイヤ空気圧が正常最低値、積載荷重が最大値のとき、ｗ＝Ｗ−２０ｍｍと想定する。その中間であるｗ＝Ｗ−１０ｍｍすなわち１４０ｍｍのとき、図６のように電力伝送効率が最大となるように設計する。そうすると、２０ｍｍの変動の範囲内での電力伝送効率は９１．４（１５０ｍｍ）％から９２．２％（１４０ｍｍ）および９２．２％（１３０ｍｍ）となり、高い伝送効率を維持してその変化を少なくすることができる。

（進行方向）
図１２(ａ)における進行方向リバンウンド量ΔＤを、１００ｍｍと想定する。そうすると図１１(ｂ)におけるＤｐとＤｃの差ｄは、ΔＤの１/２の５０ｍｍに設定する。自動車の実際の進行方向距離ｄｃ＝Ｄｃ−５０ｍｍになったとき、受信機３の同軸ケーブル４７の中心と送信機１の同軸ケーブル２７の中心が同じ位置で正対して、伝送効率が最大となる。進行方向はアンテナのＸ方向であり、図７に示すように、±５０ｍｍの変動の範囲内での電力伝送効率は９１．６％（±５０ｍｍ）から９２．２％（０ｍｍ）となり、高い伝送効率を維持することができる。

（左右方向）
受信アンテナ基準位置４７ａｃは右後輪２０１の左右方向中心ＲＴｏからＲｃの距離であり、送信アンテナ基準位置２７ａｃは溝１２３の中心である左右方向基準位置ＲｏからＲｐの距離であり、Ｒｃ＝Ｒｐである。図１２(ｂ)のように、右後輪２０１の左右方向中心ＲＴｏは、溝１２３の左右方向基準位置Ｒｏと概略一致しているが、左右のずれが±２０ｍｍであると想定する。左右方向はアンテナのＹ方向であり、図８に示すように±２０ｍｍの変動の範囲内での電力伝送効率は９２．１％（±２０ｍｍ）から９２．２％（０ｍｍ）となり、高い電力伝送効率を維持することができる。

したがって本実施例によれば、送受信アンテナの位置合わせのための特別な機構を設けなくても、電力を無線で駐車場１００から自動車２００に供給するための、伝送効率の高い無線電力伝送システム５００Ａを得ることができる。なお、送信アンテナ２０の同軸ケーブル２７および受信アンテナ４０の同軸ケーブル４７の向きは、Ｙ方向を進行方向にしてもよい。

＜４．第４の実施の形態＞
第４の実施の形態では、図１３、図１４を用いて本発明に係る無線電力伝送システムの別の実施例を説明をする。なお、本実施例で説明する無線電力伝送システム５００Ｂの構成および機能は、受信機４以外は上記第３の実施の形態の無線電力伝送システム５００Ａと略同様であるため、共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１３(ａ）は駐車場１１０および自動車２００の側面図である。図１３（ａ）では送信機１および受信機４の付近を断面にしている。駐車場１１０の地面には、車止め１０１の右後輪２０１および左後輪２０２側に、地上面から車止め１０１に向かって下り勾配となる傾斜１０６が設けられている。傾斜１０６は、自動車２００が車止め１０１に当接して停止した後、駐車ブレーキを入れる前に、リバンウンドする量を少なくするための規制部材として機能する。送信機１の同軸ケーブル２７および受信機４の同軸ケーブル４７の水平部分の方向すなわちＹ方向は、自動車２００の進行方向と一致するよう設置されている。

図１３(ｂ)は、図１２(ｂ)と同じ方向から、車輪部分を見た側面図である。溝１２３の底部の幅Ｔｐは、右後輪２０１の幅Ｔのよりも大きい値に設定されている。

図１３(ｃ)は、図１３(ａ)のＢ方向から見た断面図である。受信機４は、３本の同軸ケーブル４７ａ，４７ｂ，４７ｃを有しており、その間隔は距離Ｘｐで等間隔に設置されている。右後輪２０１の左右方向中心ＲＴｏと溝１２３の左右方向基準位置Ｒｏが一致しているとき、受信機４の同軸ケーブル４７ｂと送信機１の同軸ケーブル２７の位置が一致するように、設置してある。

したがって、本実施例によれば、駐車場１１０に傾斜１０６を設けたことにより、自動車２００が車止め１０１に当接して停止した後、駐車ブレーキを入れる前に、リバンウンドする量を少なくすることができる。また、駐車場１１０の溝１２３の幅Ｔｐを広くしたことにより、駐車し易くなる。一方で、左右方向に位置ずれが生じやすくなるが、受信機４の同軸ケーブル４７の本数を送信機１の同軸ケーブル２７よりも多くしたことにより、左右方向の位置ずれに強くすることで、高い電力伝送効率を実現することができる。

続けて、本実施例の無線電力伝送システム５００Ｂにおいて高い電力伝送効率を実現できることを図１３(ｃ)および図１４を用いて説明する。前述の図１３(ｃ)のように、右後輪２０１の左右方向中心ＲＴｏと溝１２３の左右方向基準位置Ｒｏが一致しているとき、受信機４の同軸ケーブル４７ｂと送信機１の同軸ケーブル２７の位置が一致しており、電力伝送は主として、同軸ケーブル２７から同軸ケーブル４７ｂに対して行われる。このとき、同軸ケーブル４７ｂに隣接する同軸ケーブル４７ａ，４７ｃも若干の電力を受信するため、同軸ケーブル４７が１本の場合よりも、受信する電力は多い。

図１４（ａ）は、自動車２００が右方向すなわち図１３（ｃ）では右方向にずれ、受信機４の同軸ケーブル４７ａと４７ｂが、送信機１の同軸ケーブル４７から等しい距離に位置した場合を示す。この場合、電力伝送は同軸ケーブル２７から同軸ケーブル４７ａ，４７ｂに同等に行われる。２本の同軸ケーブル４７ａ，４７ｂで電力を受信するので、１本で構成した同軸ケーブル４７がＸｐ／２位置ずれしたときよりも多くの電力を伝送することができる。

図１４（ｂ）は、自動車２００が更に右方向にずれ、受信機４の同軸ケーブル４７ａが、送信機１の同軸ケーブル２７と同じ位置になった場合を示す。この場合、電力伝送は主として、同軸ケーブル２７から同軸ケーブル４７ａに対して行われる。同軸ケーブル４７ｂからも若干の電力を受信することができるため、同軸ケーブル４７が１本の場合よりも、受信する電力は多くなる。

したがって本実施例によれば、送受信アンテナの位置合わせのための特別な機構を設けなくても、電力を無線で駐車場から自動車に供給するための、伝送効率の高い無線電力伝送システムを得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。上記実施例では、導体板１０，３０の表面と同軸ケーブル２７，４７の中心とを離す距離ｈを本例のアンテナで送受信する信号の１波長の約１／４０としたが、これに限定されることはなく、距離ｈを１波長の約１／４０未満とした場合でも、電磁波をアンテナ近傍に集中させて励振させることができる。

また、上述した実施例では、本発明に係る無線電力伝送装置を自動車の非接触充電に適用した例について説明したが、これに限定されることはない。例えば、ＵＨＦ帯（９１５〜９２８ＭＨｚ）あるいは２．４５ＧＨｚのＲＦＩＤシステムの周波数を用いることで、送信アンテナをＲＦＩＤリーダアンテナとして用いて微弱電波を送信し、受信機側に設置したＲＦＩＤタグのＩＤ情報を読み取った後で、電力送信を行うこともできる。さらに、本発明に係る送信アンテナ２０を携帯機器向けの送電台（充電器）に用い、受信アンテナ４０を例えば携帯電話等の携帯機器に用いることで、無線で携帯機器に電力を伝送するワイヤレス給電にも応用することができる。

１，２ 送信機
３，４ 受信機
１０，３０ 導体板
２０ 送信アンテナ
２７ 同軸ケーブル
４０ 受信アンテナ
４７ 同軸ケーブル
１００ 駐車場
１０１ 車止め
１０６ 傾斜
１２３ 溝
２００ 自動車
５０Ａ，５０Ｂ 無線電力伝送装置
５００Ａ，５００Ｂ 無線電力伝送システム

Claims (7)

1. 無線電力伝送装置として、同じ大きさの２個の、有限導体板上に外導体と中心導体から成る同軸ケーブルを折り曲げ、水平部分が前記有限導体板と平行になるように取り付けて成る不平衡給電超低姿勢逆Ｌアンテナを、前記同時ケーブルの水平部分が対向するように配置した送受信アンテナであって、前記同軸ケーブルの途中に設けた給電位置を送受信アンテナ別々に変えることで、送信機、受信機とのインピーダンス整合を個別に取ることが可能な、無線電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の超低姿勢逆Ｌアンテナにおいて、送受信アンテナ間で電力を最大に伝送し、周囲への電磁波の漏洩を抑えるために、前記同軸ケーブルの高さを４０分の１波長以下として、前記同軸ケーブルと前記有限導体板の結合を強くし、電磁波を前記同軸ケーブル近傍のみに励振させた無線電力伝送装置。
3. 請求項１および請求項２に記載の無線電力伝送装置であって、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの前記同軸ケーブルが複数本であって、同一本数であることを特徴とする無線電力伝送装置。
4. 請求項１および請求項２に記載の無線電力伝送装置であって、前記受信アンテナの前記同軸ケーブルの本数が、前記送信アンテナの前記同軸ケーブルの本数よりも多いことを特徴とする無線電力伝送装置。
5. 送信アンテナを有する送信機を備えた自動車の駐車場であって、
   自動車の前輪もしくは後輪の少なくとも一つの車輪の接地面と当接して進行方向の動きを阻害する車止め、と
   左もしくは右の前輪および後輪の少なくとも一つの車輪の側面を規制して左右方向の位置を制約する溝
   を備えた駐車場であって、
   前記送信アンテナを、
   進行方向には、前記車止めの進行方向基準位置から所定の位置、
   左右方向には、前記溝の左右方向の基準位置から所定の位置、
   高さ方向には、地表面から所定の位置
   に設置した駐車場と、
   前記駐車場に駐車する、受信アンテナを有する受信機を備えた自動車であって、
   前記受信アンテナを、
   進行方向には、前記車止めに当接する車輪の前記車止めの進行方向基準位置に相当する基準位置から、前記送信アンテナの前記所定の位置と同じもしくは所定の距離短い位置、
   左右方向には、前記溝に規制される車輪の左右方向の基準位置から、前記送信アンテナの所定の位置と同じ位置、
   高さ方向には、前記送信アンテナから所定の距離高い位置
   に設置した自動車
   から成り、
   前記自動車が前記駐車場に、
   前記車止めに当接する車輪が前記車止めに当接もしくはその近傍にあって、
   前記溝に規制される車輪が前記溝に規制された状態で駐車した後、
   前記送信アンテナから前記受信アンテナに電力を伝送する無線電力伝送システム。
6. 請求項５に記載の無線電力伝送システムであって、
   前記駐車場は、前記車止めの進行方向手前側に、前記車止めに向かって下り勾配となる傾斜を有することを特徴とする無線電力伝送システム。
7. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線電力伝送装置を用いる無線電力伝送システムであって、
   前記同軸ケーブルの折り曲げ後の中心導体の方向が、前記進行方向もしくは前記左右方向となるように前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを配置した
   ことを特徴とする請求項５もしくは請求項６のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

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