(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を送電する送電装置（２）と、
前記送電装置から送電される交流電力を伝送する伝送線路（４）と、
前記伝送線路の第１所定領域に配置され前記第１所定領域から無線により交流電力を受電する受電装置（３１、３２、…）と、
前記伝送線路の前記第１所定領域（Ｒ１、Ｒ２、…）における定在波電流よりも大きい定在波電流が流れる第２所定領域（Ｒｎ）に配置され前記第２所定領域から交流電力を受電すると当該受電された交流電力のうちの少なくとも一部の交流電力を前記伝送線路に反射する反射装置（…３ｎ、１０３ｎ、１０３ｎａ）と、を備え、
前記伝送線路は前記反射装置により反射された交流電力に応じて前記第１所定領域の定在波電流を上昇させ、前記受電装置は前記反射装置により上昇された前記第１所定領域の定在波電流に応じて交流電力を無線により受電する無線給電システム。
【請求項２】
請求項１記載の無線給電システムにおいて、
前記反射装置（３ｎ）は、前記複数の受電装置のうち少なくとも何れか一つと同一構成となるように構成された第２の受電装置（３ｎ）により構成される無線給電システム。
【請求項３】
請求項１記載の無線給電システムにおいて、
前記反射装置（１０３ｎａ）は、前記受電装置と前記伝送線路との間のｋＱ積に比較してｋＱ積を高くするように設置された終端装置（１０３ｎａ）により構成される無線給電システム。
【請求項４】
請求項２記載の無線給電システムにおいて、
前記受電装置及び前記第２の受電装置（３１〜３ｎ）は、前記伝送線路との間で全て所定範囲のｋＱ積となるように設置される無線給電システム。
【請求項５】
請求項１または４記載の無線給電システムにおいて、
前記伝送線路の終端に当該伝送線路の定在波比を調整するための定在波比調整器（２０７）をさらに備える無線給電システム。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載の無線給電システムにおいて、
前記反射装置（３ｎ、１０３ｎ、１０３ｎａ）は、定在波電流が腹となる領域（Ｒ８）に設置されている無線給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス電力伝送に適した無線給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ワイヤレス給電技術の開発が活発化されており、様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の移動型無線電力伝送システムは、受電装置へ多重化制御信号を出力する多重化制御装置を備えており、受電装置が伝送線路に沿って複数台が位置するとき、受電装置は時分割多重で自己の受電タイムスロット時に受電するように構成されることが開示されている。また、受電装置が伝送線路に沿って複数台が位置するとき、受電装置は周波数多重で自己に設定された共振周波数で受電するように構成されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２３００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者は、例えば車両内に伝送線路を当該伝送線路に通電する交流電力の波長の長さに近い長さ（例えばλ／４）で設置し、交流電力を例えばλ／４電流分布が連続的に変化する伝送線路の何れの場所に受電装置を設置したとしても当該受電装置に所望の電力を供給可能にすることを考慮している。
【０００５】
しかし、特許文献１記載の技術を用いると、送電装置は時分割多重化又は周波数多重化するための構成が必要となり、受電装置は受電タイムスロットに受電タイミングを合わせる構成を必要としたり、受電装置がそれぞれ共振周波数を合わせるための構成を必要としたりする。
【０００６】
本発明の目的は、簡便な構成を用いて受電装置への給電量を自由に変更できるようにした無線給電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、送電装置と伝送線路と受電装置と反射装置とを備えている。受電装置は伝送線路の第１所定領域に配置されており当該第１所定領域から無線により交流電力を受電する。他方、反射装置は伝送線路の第１所定領域における定在波電流よりも大きい定在波電流が流れる第２所定領域に配置され第２所定領域から交流電力を受電すると当該受電された交流電力のうちの少なくとも一部の交流電力を伝送線路に反射する。このとき、伝送線路は反射装置により反射された交流電力に応じて第１所定領域の定在波電流を上昇させることになり、受電装置は反射装置により上昇された第１所定領域の定在波電流に応じて交流電力を無線により受電する。これにより、第２所定領域の定在波電流よりも低い第１所定領域の定在波電流を上昇させることができる。この結果、簡便な構成を用いて受電装置への給電量を自由に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態における無線給電システムを模式的に示す構成図
【図２】（ａ）は伝送線路の一部と受電装置の受電アンテナとを概略的に示す構成例、（ｂ）は伝送線路の終端の構成を概略的に示す構成図
【図３】伝送線路の位置に応じた定在波電流特性図
【図４】受電装置が設置された場合の伝送線路の領域に応じた定在波電流の特性図
【図５】伝送線路の領域に応じた給電割合の特性図
【図６】第２実施形態における無線給電システムを模式的に示す構成図（その１）
【図７】無線給電システムを模式的に示す構成図（その２）
【図８】伝送線路の領域に応じた給電割合の特性図
【図９】第３実施形態における無線給電システムを模式的に示す構成図
【図１０】伝送線路の終端に定在波比調整器を設置するときの具体的な構成例
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、無線給電システムの幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。各実施形態間で同一の構成については、その前の実施形態に付した符号と同一の符号を付し、後の実施形態では必要に応じて説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１〜図５は第１実施形態の説明図を示す。図１に全体構成例を示すように、無線給電システム１は、送電装置（マスタ）２及び受電装置（スレーブ）３１〜３ｎが伝送線路４を通じて無線（電界／磁界）により結合されることで構成される。例えば受電装置３ｎは第２の受電装置として構成される。
【００１１】
送電装置２には、例えばバッテリ（図示せず：電力供給源）が接続され、このバッテリの電力に応じて伝送線路４を通じて複数の受電装置３１、３２〜３ｎに電力を供給し、受電装置３１、３２〜３ｎはこれらの供給電力に応じて動作する。無線給電システム１は、電力線給電システムと同義である。この無線給電システム１は、特に車両用の各種センサ、アクチュエータの無線電力伝送に適用することが望ましい。
【００１２】
送電装置２は、給電回路５及び整合器６を備えている。給電回路５は所定周波数（例えば数ＭＨｚ）の交流電力（高周波電力、例えば正弦波電圧／電流）を伝送線路４に出力する。整合器６は給電回路５と伝送線路４との間のインピーダンス整合を図る。給電回路５は整合器６を介して伝送線路４を接続して構成される。伝送線路４の終端４ｂには終端器７が接続されている。
【００１３】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は伝送線路４の構成例を示す。伝送線路４は例えば一対の送電線８、９を撚部１０で撚り合わせた撚り対線（ツイステッドペアケーブル）により構成される。一対の送電線８、９は隣接する撚部１０間に開口１１を備える。全ての隣接する撚部１０間の開口１１のうち、特定の撚部１０ａ間の開口１１ａ（以下特定開口１１ａと称す）は他の撚部１０間又は撚部１０と１０ａ間の開口１１より大きく設けられている。この特定開口１１ａの周辺の近傍界には受電装置３１、３２〜３ｎの受電アンテナ１３が設置される。受電アンテナ１３は、例えば開口１４を備えたループ状のコイルにより構成され、伝送線路４の特定開口１１ａから発せられる磁束を受電アンテナ１３の開口１４に鎖交する。これにより、受電アンテナ１３は伝送線路４から電磁誘導現象（主に磁界）に応じて受電できる。
【００１４】
図２（ａ）に示すように、伝送線路４は撚り対線を所定方向（一方向：例えばＸ方向）に所定長（数ｍ程度）延設して配置される。なお、この所定方向とは、ある一直線状の方向であっても良いが、曲折、屈曲していても良い。また図２（ｂ）に具体例を示すように、伝送線路４の一対の送電線８、９は結合部１２にて結合されており、これにより一対の撚り対線はその一部（例えば端部）で結合されたループ状に構成される。なお、図１においては終端器７を短絡線路（例えば結合部１２）で構成したことを模式的に表している。なお、伝送線路４は図２（ａ）、図２（ｂ）に示す構成に限られない。
【００１５】
図１に示すように、受電装置３１〜３ｎは伝送線路４の近傍界に複数設置され、前記の所定方向（例えばＸ方向）の一部の複数の所定領域Ｒ１、Ｒ２〜Ｒｎに受電アンテナ１３を設置して構成され、この所定領域Ｒ１、Ｒ２〜Ｒｎにて受電するように配置される。受電装置３１〜３ｎは、図１に示すようにそれぞれ受電アンテナ１３及び負荷１５を備え、これにより互いに同一構成とされている。受電装置３１の設置個数は２つ以上であればいくつでも良い。
【００１６】
前述構成の作用について説明する。
給電回路５が伝送線路４に交流電力を出力すると伝送線路４には定在波を生じる。図３には伝送線路４の位置に応じた定在波電流の値を規格化して示しており、終端器７の設置位置の電流値を１としたときの定在波電流の振幅を示す。ここで、送電装置２が出力する交流電力の周波数を例えば６．７８［ＭＨｚ］、伝送線路４の線路長Ｘ［ｍ］を例えば１０［ｍ］としている。このときの定在波電流は、その振幅が伝送線路４の領域Ｒ１〜Ｒｎに応じて大きく変化する。給電回路５が、伝送線路４に出力する交流電力の周波数をｆとすると、波長λは光速ｃ／周波数ｆで算出される。
【００１７】
例えば、伝送線路４の線路長Ｘ［ｍ］が波長λの４分の１（＝λ／４）に一致している場合、又は、線路長Ｘが波長λの４分の１よりも小さい場合には、送電装置２側に近い伝送線路４の基端４ａから終端４ｂにかけて定在波電流の振幅が連続的に増加する特性を示し、伝送線路４の各部と定在波電流の値とは１対１の関係にある。本実施形態では、伝送線路４の終端４ｂが短絡線路により構成され、後述の第３実施形態に示すように定在波器調整器２０７を設けている場合に比較して、特に定在波電流の変化度（例えば増加度）が大きくなる。
【００１８】
これに対し、本実施形態に示すように受電装置３１〜３ｎが各領域Ｒ１〜Ｒｎに設置されている場合を考慮する。受電装置３１〜３ｎは伝送線路４と整合している場合にはｋＱ積が比較的高くなり信号を原理的に反射することはない。なお、ｋＱ積はワイヤレス給電の電力伝送効率を示す指標である。しかし、ｋＱ積が低く不整合度が大きいときには反射も大きくなる。このときの反射係数Γは、下記の（１）式のように表される。
【００１９】
Γ  ＝  （ＺＬ  −  Ｚｉ）  ／  （ＺＬ  ＋  Ｚｉ）  …（１）
ここで、ＺＬは受電装置３１〜３ｎの設置領域Ｒ１〜Ｒｎから伝送線路４の基端４ａ側を見たインピーダンスを示し、Ｚｉは受電装置３１〜３ｎの設置領域Ｒ１〜Ｒ８から伝送線路４の終端４ｂ側を見たインピーダンスを示す。反射係数Γは、各領域Ｒ１〜Ｒ８に応じて変化する。
【００２０】
発明者は、伝送線路４の各領域Ｒ１〜Ｒ８に受電装置３１〜３ｎを設置し、当該受電装置３１〜３ｎが伝送線路４との間で同一のｋＱ積を備えるように受電装置３１〜３ｎを設置したことを想定してシミュレーションを行っている。このとき、伝送線路４の基端４ａ及び終端４ｂ間の距離を１０［ｍ］とし、終端４ｂの領域Ｒ８から送電装置２側に向けて１［ｍ］間隔で８個配置した状態でシミュレーションを行っている。また、各受電装置３１〜３ｎの負荷１５のインピーダンスを５０［Ω］としている。このシミュレーション結果を図４に示す。
【００２１】
図３と図４を比較すると、領域Ｒ１〜Ｒ４では定在波電流は上昇しているが、領域Ｒ５〜Ｒ８では定在波電流が低下することが判明した。これは、領域Ｒ５〜Ｒ８に設置される受電装置による電流反射が、領域Ｒ１〜Ｒ４に設置される受電装置による電流反射よりも大きいことを示している。さらに言及するならば、定在波電流は、伝送線路４の基端４ａ側に向かうに従って徐々に上昇度が大きくなり、伝送線路４の終端４ｂ側に向かうに従って徐々に下降度が大きくなることが判明した。
【００２２】
また発明者は、図５に示すように、ｋＱ積を変化させたときの各受電装置３１〜３ｎに対する給電の割合のシミュレーション結果を得ている。縦軸は、給電の割合を示しているが、この割合は全ての受電装置に給電される電力合算量を１としたときの各領域Ｒ１〜Ｒ７への給電量の割合を示すものであり、定在波電流の２乗に比例する割合となる。給電の割合もまた、伝送線路４の基端４ａ側に向かうに従って徐々に上昇度が大きくなり、伝送線路４の終端４ｂ側に向かうに従って徐々に下降度が大きくなることが判明している。
【００２３】
したがって、領域Ｒ８側（第２所定領域相当）に配置された受電装置Ｒ８（＝Ｒｎ）が交流電力を入力したときに伝送線路４に交流電力の一部を反射し、伝送線路４が領域Ｒ１〜Ｒ４（第１所定領域相当）の定在波電流を上昇させており、これらの領域Ｒ１側に配置された受電装置３１が、この上昇された定在波電流に応じた交流電力を無線により受電していると推定される。この結果、図３においては領域Ｒ１と領域Ｒ８との間で最大０．８程度の規格化電流差を生じているが、図４に示すように、受電装置３１〜３ｎを伝送線路４にｋＱ積を調整しながら配置することで、領域Ｒ１と領域Ｒ４との間で最大０．２５程度の規格化電流差に抑制でき、各受電装置３１〜３ｎへの給電割合を概ね均一化できることを確認できた。
【００２４】
実質的に同一のｋＱ積となるように設置することは困難と考えられるため、ある所定のｋＱ積を基準とした所定範囲のｋＱ積となるように各受電装置３１〜３ｎを設置することが望ましい。これにより、シミュレーション結果に近い特性を得ることが可能になる。これにより、各受電装置３１〜３ｎに供給する電力を極力均一化できる。
【００２５】
本実施形態によれば、領域Ｒ１側に受電装置３１等を配置すると共に、領域Ｒ１よりも定在波電流の大きい領域Ｒ８側に受電装置３ｎ等を配置することで、受電装置３ｎに供給される交流電力の少なくとも一部以上を伝送線路４に反射させることができ、この反射された交流電力に応じて領域Ｒ１側の定在波電流を上昇させることができる。これにより、簡便な構成を用いて受電装置３１〜３ｎへの給電割合を極力自由に変更できる。
【００２６】
また、ｋＱ積などを調整することで、複数の受電装置３１〜３ｎへの給電電力を極力均一化できる。特に、複数の受電装置３１〜３ｎが互いに同一構成となるように構成され、ｋＱ積が所定範囲となっていたとしても、ｋＱ積を所定範囲（例えば≒２１０）に調整することで、複数の受電装置３１〜３ｎへの給電電力を極力均一化できる。
【００２７】
（第２実施形態）
図６から図８は第２実施形態の追加説明図を示す。図６には、伝送線路４の終端４ｂ側に反射装置１０３ｎを設置した無線給電システム１０１を示している。反射装置１０３ｎは、例えば、受信コイル１１３とコンデンサ１１６とを直列接続して構成され所定の共振周波数になるように構成されている。この反射装置１０３ｎは負荷１５を接続しておらず伝送線路４から受電したとしても原理的に電力消費せず、入力された交流電力を原理的に全反射する。なお、反射装置１０３ｎの内部抵抗消費分を除く。反射装置１０３ｎは、伝送線路４の近傍界に設置されたとしても実質的にｋＱ≒０である。
【００２８】
また、図７には伝送線路４の終端４ｂ側に終端装置１０３ｎａを設置した無線給電システム１０１ａを示す。終端装置１０３ｎａは受電装置３１などと同様の構成を備えるが、伝送線路４との結合係数ｋが他の受電装置３１等よりも高く設置されていることを想定した装置であり、例えばｋＱ積＝２１００程度になっている。
【００２９】
図８には、第１実施形態で説明した無線給電システム１と、本実施形態における無線給電システム１０１、１０１ａのシミュレーション結果を示している。図８には、全ての領域Ｒ１〜Ｒ８に受電装置３１〜３ｎを配置したときのシミュレーション結果をダイヤマークで示し、領域Ｒ８に反射装置１０３ｎが設置されているときのシミュレーション結果を三角マークで示している。また、この図８には、終端の領域Ｒ８に他の領域Ｒ１〜Ｒ７よりも高いｋＱ積（＝２１００）を備えるように終端装置１０３ｎａを搭載したシミュレーション結果も四角マークを用いて示している。縦軸は、給電の割合を示しているが、この割合は全ての受電装置３１〜３ｎに給電される電力合算量を１としたときの各領域Ｒ１〜Ｒ８への給電量の割合を示すものであり、定在波電流の２乗に比例する割合となる。
【００３０】
領域Ｒ１〜Ｒ７に受電装置３１〜３ｎ−１が設置されると共に領域Ｒ８に反射装置１０３ｎが設置されている場合、図８に三角マークで示すように、伝送線路４の基端４ａ側では給電の割合が大きくなり、伝送線路４の終端４ｂ側では給電の割合が小さくなる。したがって、反射装置１０３ｎを領域Ｒ８に設置することで、伝送線路４の定在波電流の分布を大きく変化させることができることを把握できる。
【００３１】
また、逆にｋＱ積を高くするように終端装置１０３ｎａを設置したときには、図８に四角マークで示すように、終端装置１０３ｎａへの給電量がその他の受電装置３１〜３ｎ−１への給電量に比較して高くなる。終端装置１０３ｎａを設置した場合には、反射装置１０３ｎを設置した場合に比較して定在波電流の分布を均一化できることを把握できる。
【００３２】
また、図８にダイヤマークで示すように、領域Ｒ１〜Ｒ８に同一の所定のｋＱ積（＝２１０）となるように受電装置３１〜３ｎを設置することで、終端装置１０３ｎａを設置した場合に比較して定在波電流の分布をさらに均一化することができ、給電割合をさらに一定にすることができることを把握できる。
【００３３】
本実施形態の構成によっても、前述実施形態と同様の作用効果を奏する。
（第３実施形態）
図９及び図１０は第３実施形態の追加説明図を示す。第３実施形態では終端に定在波比調整器２０７を設置した形態を示す。図９に示す無線給電システム２０１は、送電装置２、受電装置３１〜３ｎ、伝送線路４、及び、定在波比調整器２０７を備える。定在波比調整器２０７の具体構成例を図１０に示す。図１０に示すように、伝送線路４が例えば送電線８、９を撚部１０で撚り合わせた撚り対線で構成される場合には、定在波比調整器２０７は抵抗器２１２を備えて構成され、この抵抗器２１２は送電線８、９の終端を結合するように構成される。この定在波比調整器２０７は、伝送線路４の特性インピーダンスよりも小さなインピーダンス値に設定されている。
【００３４】
例えば、伝送線路４の終端に定在波比調整器２０７を挿入することで、例えば定在波電流の分布を滑らかにすることができる。本実施形態では定在波比調整器２０７を接続しているため、例えば第１実施形態の伝送線路４に比較して特に定在波電流の増加度を小さくできる。この結果、受電装置３１〜３ｎへの給電量を自由に変更できる。
【００３５】
（他の実施形態）
前述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形又は拡張が可能である。前述の各実施形態の構成は必要に応じて適宜組み合わせて適用できる。
【００３６】
例えば線路長Ｘ［ｍ］がλ／４以下の伝送線路４を用いたシステム１、１０１、１０１ａを適用することが望ましいが、線路長Ｘ［ｍ］がλ／４を超える伝送線路４を用いても良い。第１実施形態では、「反射装置」として受電装置３ｎを適用した形態を示したが、例えば受電装置３ｎ−１を反射装置とみなしても良く、「反射装置」は伝送線路４の終端４ｂに設置された受電装置に限定されるものではない。
【００３７】
伝送線路４は、一対の送電線８、９を撚り合わせた構成を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。
第１実施形態では、複数の受電装置３１〜３ｎが全て受電アンテナ１３及び負荷１５を備えており互いに同一構成である形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、少なくとも２つが同一構成であっても良く、さらに全てが異なる構成であっても良い。
【００３８】
受電装置３ｎ、反射装置１０３ｎ、終端装置１０３ｎａは、定在波電流が腹となる領域Ｒ８に設置されることで電流の反射効果を上げることができる。
【符号の説明】
【００３９】
図面中、２は送電装置、４は伝送線路、３１〜３ｎは受電装置（例えば３ｎは第２の受電装置、反射装置）、Ｒ１〜Ｒｎは領域（例えばＲ１、Ｒ２は第１所定領域、Ｒｎは第２所定領域）、１０３ｎは反射装置、１０３ｎａは終端装置（反射装置）、を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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