(57)【要約】  【課題】無線電力を効率的に分配できると共に分配割合を容易に調整できる可変分配方法及び装置を提供する。  【解決手段】電磁波を伝搬する方形断面の給電導波管21の電力分岐部のＨ面に同軸プローブ22を電界と平行に挿入し、給電導波管21のプローブ22近傍のＥ面にプローブ22と平行な回転軸23aを設けてプローブ22近傍の電界強度を回転角度φに応じて変化させる回転導体板23を取り付け、プローブ22及び導体板23より下流側における給電導波管21の断面上の対向するＥ面又はＨ面にそれぞれ回転軸24a、25aを設けてその断面積を回転角度θに応じて変化させる一対の回転絞り板24、25を取り付ける。給電導波管21からプローブ22へ分配する電力の割合に応じた回転角度φに導体板23を調整すると共に、その回転角度φに応じてプローブ22及び導体板23の上流側及び下流側を整合させる回転角度θに一対の絞り板24、25を調整する。【選択図】      図１
2009094745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を伝搬する方形断面の給電導波管の電力分岐部のＨ面に同軸プローブを電界と平行に挿入し、前記導波管のプローブ近傍のＥ面にプローブと平行な回転軸を設けてプローブ近傍の電界強度を回転角度φに応じて変化させる回転導体板を取り付け、前記プローブ及び導体板より下流側の導波管断面上の対向するＥ面又はＨ面にそれぞれ回転軸を設けてその断面積を回転角度θに応じて変化させる一対の回転絞り板を取り付け、前記導波管からプローブへ分配する電力の割合に応じた回転角度φに導体板を調整すると共にその回転角度φに応じてプローブ及び導体板の上流側及び下流側を整合させる回転角度θに一対の絞り板を調整してなる無線電力の可変分配方法。
【請求項２】
請求項１の分配方法において、前記導波管のプローブ近傍のＨ面に管内への突出長ｄが可変の導体棒を電界と平行に挿入し、前記導体板の回転角度φに応じてプローブ及び導体板の上流側及び下流側が整合するように絞り板の回転角度θと共に導体棒の突出長ｄを調整してなる無線電力の可変分配方法。
【請求項３】
請求項２の分配方法において、前記導体棒を、前記導波管のプローブ挿入側Ｈ面と対向する反対側Ｈ面に挿入してなる無線電力の可変分配方法。
【請求項４】
請求項２又は３の分配方法において、前記導波管の電磁波伝搬方向に沿った複数の電力分岐部にそれぞれ前記プローブを挿入すると共に前記回転導体板と回転絞り板と導体棒とを取り付け、前記導波管から各プローブへ分配する電力の割合に応じて各導体板の回転角度φを個別に調整すると共にその回転角度φに応じて各プローブ及び導体板の上流側及び下流側が整合するように絞り板の回転角度θ及び導体棒の突出長ｄを個別に調整してなる無線電力の可変分配方法。
【請求項５】
請求項４の分配方法において、建物の床、天井又は壁の内部に複数の並列導波管を形成し、前記給電導波管を並列導波管の各々と交差する向きに重ねると共に各プローブと並列導波管の各々とを位置合わせし、前記各プローブの他端をそれぞれ対応する並列導波管へ挿入することにより前記各導体板の回転角度φに応じた電力を給電導波管から並列導波管の各々へ分配してなる無線電力の可変分配方法。
【請求項６】
電磁波を伝搬する方形断面の給電導波管、前記導波管の電力分岐部のＨ面に電界と平行に挿入された同軸プローブ、前記導波管のプローブ近傍のＥ面にプローブと平行な回転軸を有し且つプローブ近傍の電界強度を回転角度φに応じて変化させる回転導体板、前記プローブ及び導体板より下流側の導波管断面上の対向するＥ面又はＨ面にそれぞれ回転軸を有し且つその断面積を回転角度θに応じて変化させる一対の回転絞り板、並びに前記導波管からプローブへ分配する電力の割合に応じた回転角度φに導体板を調整すると共にその回転角度φに応じてプローブ及び導体板の上流側及び下流側を整合させる回転角度θに一対の絞り板を調整する調整装置を備えてなる無線電力の可変分配装置。
【請求項７】
請求項６の分配装置において、前記導波管のプローブ近傍のＨ面に電界と平行に挿入された管内への突出長ｄが可変の導体棒を設け、前記調整装置に、前記導体板の回転角度φに応じてプローブ及び導体板の上流側及び下流側が整合するように絞り板の回転角度θと共に導体棒の突出長ｄを調整する調整装置を含めてなる無線電力の可変分配装置。
【請求項８】
請求項７の分配装置において、前記導体棒を、前記導波管のプローブ挿入側Ｈ面と対向する反対側Ｈ面に挿入してなる無線電力の可変分配装置。
【請求項９】
請求項６又は７の分配装置において、前記導波管の電磁波伝搬方向に沿った複数の電力分岐部にそれぞれ前記プローブを挿入すると共に前記回転導体板と回転絞り板と導体棒とを取り付け、前記調整装置により、各プローブへ分配する電力の割合に応じて各導体板の回転角度φを個別に調整すると共にその回転角度φに応じて各プローブ及び導体板の上流側及び下流側が整合するように絞り板の回転角度θ及び導体棒の突出長ｄを個別に調整してなる無線電力の可変分配装置。
【請求項１０】
請求項９の分配装置において、前記調整装置に、前記導波管からプローブへ分配する電力の割合に応じて前記導体板の回転角度φと絞り板の回転角度θと導体棒の突出長ｄとを導出する導出表を記憶し、且つ、前記各プローブへ分配する電力の割合の入力に応じて各導体板の回転角度φと各絞り板の回転角度θと各導体棒の突出長ｄとを前記導出表に基づき制御する制御装置を含めてなる無線電力の可変分配装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線電力の可変分配方法及び装置に関し、とくにマイクロ波その他の電磁波を用いて伝送される無線電力を割合可変に分配する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽光発電衛星から地上受電設備に向けてマイクロ波等の電磁波を用いて電力を送るシステムや、地上から軽量飛行機、飛行船等の飛翔物体等に向けてマイクロ波等の電磁波を用いて電力を伝送するシステムが提案されている（特許文献１参照）。このような無線電力伝送は、電線を用いる有線電力伝送に比して設備コストを削減できる経済性を有しており、レクテナ（電磁波（ＲＦ）を直流電力（ＤＣ）に整流変換するＲＦ−ＤＣ変換素子）さえあれば配線が困難な場所にも電力を供給できる等の利点を有している。特許文献２及び３は、この無線電力伝送の利点を建物内の電力供給に適用し、建物内で様々な電気機器をバッテリーなしで駆動可能とし又はコードレスで充電可能とする無線電力供給システムを提案している。
【０００３】
図１１（Ａ）は、特許文献３の開示する建物内の無線電力伝送システムの一例を示し、多層構造建物１の各階の床２又は天井３（以下、床スラブ２ということがある）の内部閉空間に形成した複数の並列な導波管（以下、並列導波管ということがある）10を用いた電力伝送システムを表している。図示例の床スラブ２は、荷重負担用の複数の山・谷が長手方向に並列に形成されたデッキプレート11を鉄骨梁６上に支持して敷き詰め、そのデッキプレート11上にコンクリート５を打設して構築したものである。同図（Ｂ）は、デッキプレート11の長手方向と直交方向の床スラブ２の断面図を示す。デッキプレート11は一般に鋼板等の導体製であるから、デッキプレート11の底面側を導体製の遮蔽板12で塞ぐことにより、床スラブ２の内部にデッキプレート11の山部と遮蔽板12とで囲まれた複数の並列導波管10を形成できる。
【０００４】
図１１（Ａ）の床スラブ２には、並列導波管10と共に、その長手方向と交差する向きに電磁波を送る給電導波管13を設ける。給電導波管13には、適当な電力源（例えば商用電力や燃料電池等）に接続されたマグネトロンその他の電磁波発生装置15から中継導波管14を介して、所要電力密度（例えば６W／cm2程度）の電磁波を供給する。給電導波管13から並列導波管10に送られた電磁波の電力は、同図（Ｂ）に示すように、並列導波管10の任意位置にレクテナ17付き受電アダプタ16を挿入することにより、直流電力に変換して床スラブ２の床側又は天井側に取り出すことができる。受電アダプタ16には、照明その他の電気機器19を直接接続し、或いはコンセントボックス18を組み合わせて複数の電気機器19を接続することができる。同図に示す無線電力伝送システムは、建築部材であるデッキプレート11をそのまま利用して建物１内に縦横無尽に並列導波管10を張り巡らせることができ、システム導入コストを低く抑えることができる利点があると共に、電力取り出し位置を簡易に変更できることから給電場所の自由度の高いユビキタス電源としての役割を果たす。なお、建物１内の並列導波管10はデッキプレート11を用いたものに限定されず、例えば建物１の壁等の内部閉空間に形成することもできる。
【０００５】
図１１のような並列導波管10を用いた無線電力伝送システムでは、建物１内の電力使用状況に応じて各並列導波管10の電力使用状況が変化するので、並列導波管10毎に供給する電磁波の電力密度（電力量）を適宜調節して電力の効率的利用を図ることが望ましい。図１２（Ａ）は、本発明者らが特許文献４に開示した、給電導波管13から各並列導波管10へ分配する電力量を調節するための無線電力分配器40の一例を示す。同図の電力分配器40は、複数の窓44a、44b、44c……が穿たれた主導波管42と、その窓44a、44b、44c……に連なる分岐導波管43a、43b、43c……とを備えた給電導波管13を有する。主導波管42を並列導波管10a、10b、10c……と交差する向きに重ねて配置し、各分岐導波管43a、43b、43c……によって主導波管42の各窓44a、44b、44c……を伝送効率の高い適当な方法、例えば同図（Ｂ）のように同軸線路48を用いて各並列導波管10a、10b、10c……に電磁的に結合する。
【０００６】
図１２（Ａ）の電力分配器40の各電力分岐部には、主導波管42の窓44a、44b、44c…と対向する内壁に管内側（窓側）へ突出させて設けた誘導性壁部材46a、46b、46c……と、窓44の周縁に窓中央側へ突出させて設けた誘導性窓周縁部材（一対の窓周縁部材からなる）47a、47b、47c……とが設けられている。同図（Ｃ）に示すように、主導波管42の各分岐部の入力電力のうち分岐導波管43へ取り出せる電力の割合（以下、分配割合又は取り出し割合ということがある）は、その分岐部の壁部材46の突出量ｘと窓周縁部材47の突出量ｍとに応じて調節できる。例えば、各壁部材46の可動機構（例えばスライド機構）と各窓周縁部材47の可動機構（例えばスライド機構）とを電力分配器40に含め、各並列導波管10の電力使用状況に応じて各分岐部の壁部材46及び窓周縁部材47を移動させて突出量ｘ及び突出量ｍを調整することにより、給電導波管13から供給される電力量を並列導波管10毎に適宜調節することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−０３３２４４号公報
【特許文献２】特開２００５−２６１１８７号公報
【特許文献３】特開２００６−１６６６６２号公報
【特許文献４】特開２００７−２４４０１５号公報
【非特許文献１】野木茂次他「進行波分岐構造を用いた電力合成器」電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ、Vol.J79-C-I、No.1、1996年1月、pp.25-33
【非特許文献２】中島将光著「マイクロ波工学・基礎と原理」森北出版株式会社、1975年4月15日、pp.110-135
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、本発明者らの実験によれば、図１２の電力分配器40は各分岐部での電磁波の反射率が比較的大きく、反射を低減する機構もないことから、必ずしも無線電力を効率的に分配できない問題点がある。とくに、分岐部での分配割合が高い場合に反射率が大きくなる（例えば分配割合を−４dB以上とした場合に反射率が−15dBより大きくなる）。また、壁部材46及び窓周縁部材47の突出量ｘ、ｍを調整するために比較的大きな可動機構を必要とし、精確な調整が難しい問題点もある。例えば壁部材46、窓周縁部材47の可動機構としてスライド機構を採用した場合、主導波管42の外側に飛び出す壁部材46、窓周縁部材47を支持するために比較的大きな支持機構が必要となり、スライド部のすべり摩擦のために突出量ｘ、ｍの精度を確保することが難しくなる。更に、隣接する支持機構が衝突しないように分岐導波管43の相互間隔を十分大きくする必要があることから、並列導波管10の間隔に対応させて電力分配器40を設計できないおそれもある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、無線電力を効率的に分配できると共に分配割合を容易に調整できる可変分配方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、図１３に示すような進行波型電力分配器50に注目した（非特許文献１参照）。図示例の電力分配器50は、電磁波を一定向きに伝搬する方形断面の導波管51の各電力分岐部にそれぞれ、一対の同軸プローブ52、52（以下、単にプローブ52ということがある）と一対の絞り板53、53（以下、絞り部53ということがある）とで構成された分岐ユニットを配置したものである。各プローブ52は同軸線路の中心導体のみを方形導波管51の分岐部のＨ面に挿入し、各絞り部53はプローブ52の電磁波伝搬方向下流側の導波管51のＥ面に配置している。分岐ユニットを上から見た同図（Ｂ）を参照するに、導波管51の右側から入力する電磁波の電力は、一部がプローブ52により取り出され、残りが左側へ透過する。図示例の分岐ユニットでもプローブ52で反射が起こるが、下流側の絞り部53の反射によってプローブ52の反射を打ち消すことにより、分岐ユニット全体としては実質上無反射とすることができる。
【００１１】
図１３（Ａ）の分岐ユニットの等価回路を同図（Ｃ）に示す。プローブ52を並列アドミタンス（ｇｐ＋ｊｂｐ）とし、プローブ52の位置から見た絞り部53のアドミタンスを（ｇｎ＋ｊｂｎ）とすると、分岐ユニット全体のアドミタンス（ｇ＋ｊｂ）は(1)式で表され、分岐ユニットが無反射となる条件は(2)式及び(3)式となる。なお、絞り部53より左側は整合されているものとし、プローブ52及び絞り部53のアドミタンスは導波管51の特性アドミタンスで規格化されているものとする。分岐ユニットが実質上無反射であればプローブ52から取り出される電力（分配電力）とプローブ52を透過する電力（透過電力）との比はプローブ52と絞り部53とのコンダクタンスの比、すなわちｇｐ：ｇｎとなる。同図（Ａ）の分岐ユニットにおいて(2)式及び(3)式を満たすようにプローブ52及び絞り部53のアドミタンスを変化させることができれば、分配電力が可変で実質上無反射の電力分配器とすることができる。本発明は、この着想に基づく研究開発の結果、完成に至ったものである。
【００１２】
【数１】
2009094745.tif 000003
【００１３】
図１の実施例を参照するに、本発明による無線電力の可変分配方法は、電磁波を伝搬する方形断面の給電導波管21の電力分岐部のＨ面に同軸プローブ22を電界と平行に挿入し、給電導波管21のプローブ22近傍のＥ面にプローブ22と平行な回転軸23aを設けてプローブ22近傍の電界強度を回転角度φに応じて変化させる回転導体板23を取り付け、プローブ22及び導体板23より下流側における給電導波管21の断面上の対向するＥ面又はＨ面にそれぞれ回転軸24a、25aを設けてその断面積を回転角度θに応じて変化させる一対の回転絞り板24、25を取り付け、給電導波管21からプローブ22へ分配する電力の割合に応じた回転角度φに導体板23を調整すると共にその回転角度φに応じてプローブ22及び導体板23の上流側及び下流側を整合させる回転角度θに一対の絞り板24、25を調整してなるものである。
【００１４】
好ましくは、図２に示すように、給電導波管21のプローブ22近傍のＨ面に管内への突出長ｄが可変の導体棒26を電界と平行に挿入し、導体板23の回転角度φに応じてプローブ22及び導体板23の上流側及び下流側が整合するように絞り板24、25の回転角度θと共に導体棒26の突出長ｄを調整する。更に好ましくは、導体棒26を、給電導波管21のプローブ22挿入側Ｈ面と対向する反対側Ｈ面に挿入する。
【００１５】
また、図１及び図３の実施例を参照するに、本発明による無線電力の可変分配装置は、電磁波を伝搬する方形断面の給電導波管21、給電導波管21の電力分岐部のＨ面に電界と平行に挿入された同軸プローブ22、給電導波管21のプローブ22近傍のＥ面にプローブ22と平行な回転軸23aを有し且つプローブ22近傍の電界強度を回転角度φに応じて変化させる回転導体板23、プローブ22及び導体板23より下流側における給電導波管21の断面上の対向するＥ面又はＨ面にそれぞれ回転軸24a、25aを有し且つその断面積を回転角度θに応じて変化させる一対の回転絞り板24、25、並びに給電導波管21からプローブ22へ分配する電力の割合に応じた回転角度φに導体板23を調整すると共にその回転角度φに応じてプローブ22及び導体板23の上流側及び下流側を整合させる回転角度θに一対の絞り板24、25を調整する調整装置31、32、33を備えてなるものである。
【００１６】
好ましくは、給電導波管21のプローブ22近傍のＨ面に電界と平行に挿入された管内への突出長ｄが可変の導体棒26を設け、調整装置31、32、33に、導体板23の回転角度φに応じてプローブ22及び導体板23の上流側及び下流側が整合するように絞り板24、25の回転角度θと共に導体棒26の突出長ｄを調整する調整装置34を含める。更に好ましくは、導体棒26を、給電導波管21のプローブ22挿入側Ｈ面と対向する反対側Ｈ面に挿入する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による無線電力の可変分配方法及び装置は、給電導波管21の電力分岐部のＨ面に同軸プローブ22を挿入すると共に、プローブ22近傍のＥ面の回転軸23aに取り付けた回転導体板23の回転角度φに応じてプローブ22近傍の電界強度を変化させることによりプローブ22のアドミタンス（ｇｐ＋ｊｂｐ）を可変とし、プローブ22及び導体板23より下流側のＥ面又はＨ面にそれぞれ設けた回転軸24a、25aに一対の回転絞り板24、25を取り付けて絞り部とし、その一対の絞り板24、25の回転角度θに応じてその下流側の断面積を変化させることにより絞り部のアドミタンスを（ｇｎ＋ｊｂｎ）を可変とし、給電導波管21からプローブ22への電力分配割合に応じて導体板23の回転角度φを調整すると共に、その回転角度φに応じてプローブ22及び導体板23の上流側及び下流側が整合するように絞り板24、25の回転角度θを調整するので、次の顕著な効果を奏する。
【００１８】
（イ）給電導波管21の分岐部における電磁波の反射を小さく抑え、無線電力を効率的に分配できる。
（ロ）スライド機構等に比して構造がコンパクトで摩擦も小さい回転機構により電力の分配割合を調整するので、装置の小型化を図ると共に、電力の分配割合を容易に且つ精度よく調整することができる。
（ハ）絞り板24、25のみで電磁波の反射を十分に抑えられない場合は、プローブ22近傍に電界と平行に導体棒26を挿入し、その導体棒26の管内への突出長ｄを絞り板24、25の回転角度θと共に調整することにより、プローブ22及び導体板23の上流側及び下流側の整合性を更に高めて反射を抑えることができる。
（ニ）予めプローブ22への電力分配割合に応じた導体板23の回転角度φ及び絞り板24、25の回転角度θの導出表を求めておくことにより、プローブ22への電力分配割合を自動的に調整することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の電力可変分配装置20の一実施例を示す。図示例の分配装置20は、方形断面の給電導波管21の電力分岐部のＨ面に電界と平行に挿入された同軸プローブ22（以下、単にプローブ22ということがある）と、プローブ22近傍のＥ面上にプローブ22と平行な回転軸23aを有する回転導体板23と、プローブ22及び導体板23より下流側のＥ面（又はＨ面）上に回転軸24a、25aを有する一対の回転絞り板24、25とで構成された分岐ユニットを配置したものである。図１（Ｂ）はその分岐ユニットを上から見た図を示し、同図（Ｃ）はその分岐ユニットの等価回路を示す。なお、図示例では給電導波管21に単独の分岐部を設けているが、給電導波管21には電磁波伝搬方向に沿って複数の分岐部を設けることができ、各分岐部にそれぞれ分岐ユニットを配置することができる（図３参照）。例えば、給電導波管21を図１１の並列導波管10の各々と交差する向きに重ねると共に各分岐部と並列導波管10の各々とを位置合わせし、各分岐部のプローブ22の他端をそれぞれ対応する並列導波管10へ挿入することにより給電導波管21から並列導波管10の各々へ電力を分配する。各分岐部の電磁波伝搬方向の間隔は、並列導波管10の相互間隔に揃えることができる。
【００２０】
図示例のプローブ22は、図１３と同様に同軸線路22bの一端の中心導体のみを給電導波管21のＥ面に挿入すると共に、給電導波管21内に突き出した中心導体に拡径部22aを設けてドアノブ型としたものである。給電導波管21の幅Ｆ（図３参照）に対して拡径部22aの径Ｒ１及び高さＤ（図３参照）を適当に設計することで、給電導波管21とプローブ22とを整合させることができる。ただし、拡径部22aは本発明に必須のものではない。給電導波管21内に電界と平行に挿入されたプローブ22には挿入方向の電流が流れ、その電流が中心導体を伝搬することでプローブ22の他端に電力が取り出される。プローブ22に大きな電流が流れるほど取り出せる電力も大きくなり、プローブ22の電流の大きさはプローブ22のコンダクタンスｇｐ（同図（Ｃ）参照）によって定まることから、プローブ22のコンダクタンスｇｐを動的に変化させれば電力の取り出し割合（分配割合）を可変とすることができる。
【００２１】
本発明は、給電導波管21に挿入したプローブ22を固定し、プローブ22近傍に設けた回転導体板23の回転角度φに応じてプローブ22近傍の電界強度を変化させることによって、プローブ22のコンダクタンスｇｐを動的に変化させる（同図（Ｂ）参照）。導体板23の周辺では電界が弱くなるので、導体板23をプローブ22に近づけたり遠ざけたりすることでプローブ22のコンダクタンスｇｐを調整することができる。プローブ22近傍の電界強度が大きいほどプローブ22に流れる電流が大きくなり、大きな電力を取り出せる。つまりプローブ22のコンダクタンスｇｐが大きくなる。
【００２２】
図示例の回転導体板23は、給電導波管21の上側Ｈ面から下側Ｈ面まで貫通する高さＨ０（図３参照）を有し、プローブ22近傍の給電導波管21のＥ面上のプローブ22と平行な回転軸23aに枢支したものである。例えば回転軸23aをプローブ22と同じ給電導波管21の断面上に設ける。導体板23の長さＢと厚さＴ１及びＬ１（図３参照）は、プローブ22近傍の電界強度を変化させることができる範囲内で適当に選択できる。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、導体板23を回転角度φ＝０°及び87°としたときのプローブ22の並列アドミタンス（ｇｐ＋ｊｂｐ）の電磁界シミュレーションによる算出結果の一例を示す。同図から分かるように、回転角度φを90°に近付けると導体板23の先端がプローブ22に近づくのでプローブ22のコンダクタンスｇｐが小さくなり、プローブ22への分配割合が減少する。逆に、回転角度φを０°に近付けるとプローブ22のコンダクタンスｇｐが大きくなり、プローブ22への分配割合が増加する。導体板23を給電導波管21のＨ面との間に隙間を有する高さＨ１（図３参照）としてもよいが、その場合は、導体板23と給電導波管21のＨ面との間の隙間の大きさによってプローブ22の並列アドミタンス（ｇｐ＋ｊｂｐ）の特性が変わる。
【００２３】
なお、プローブ22のコンダクタンスｇｐを変化させるため、給電導波管21内へのプローブ22の挿入長を可変とする方法や、給電導波管21内への導体板23の挿入長を可変とする方法も考えられる。しかし、図３に示すように給電導波管21と並列導波管10とを重ねる場合を想定すると、プローブ22が給電導波管21と並列導波管10と間に配置されることになるので、プローブ22の挿入長の調整及び精度確保が難しくなる。また図１２を参照して上述したように、導体板23の挿入長を可変とするためには大きな可動機構が必要となる。図示例のように、摩擦の小さい回転導体板23によってプローブ22のコンダクタンスｇｐを変化させることにより、分配装置20の小型化・コンパクト化を図ると共に、コンダクタンスｇｐの調整の容易化及び精度向上を図ることができ、並列導波管10との組み合わせが簡単になる。
【００２４】
また、図示例では単独のプローブ22と単独の回転導体板23とを用いているが、必要に応じて図１３のように給電導波管21の分岐部の同じ断面上に一対のプローブ22を挿入し、それに対応して給電導波管21の対向するＥ面にそれぞれ回転導体板23を設けてもよい。この場合の取り出し電力は、一対のプローブ22からそれぞれ取り出される電力の和となる。しかし、図１（Ｃ）のような等価回路ではプローブ22の数に関係なくその並列アドミタンスを（ｇｐ＋ｊｂｐ）と表現することができ、一対のプローブ22で取り出される電力（分配電力）と透過する電力（透過電力）との比はやはりｇｐ：ｇｎとなる。
【００２５】
図示例の一対の回転絞り板24、25（以下、絞り部ということがある）は、給電導波管21の電磁波伝搬方向から見てプローブ22及び導体板23より下流側の断面上の対向するＥ面上のプローブ22と平行な一対の回転軸24a、25aに枢支したものである。回転角度θに応じて絞り部の断面積を変化させることにより、絞り部のアドミタンス（ｇｎ＋ｊｂｎ）を変化させる。回転導体板23の回転角度φに応じて変化するプローブ22の並列アドミタンス（ｇｐ＋ｊｂｐ）に対して、上述した(2)式及び(3)式を満たすように絞り部のアドミタンス（ｇｎ＋ｊｂｎ）を変化させることにより、プローブ22及び導体板23の上流側と下流側とを整合させ、分岐ユニットにおける電磁波の反射を小さく抑える。
【００２６】
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、給電導波管21内に回転絞り板24、25のみが存在すると仮定したうえで、絞り板24、25を回転角度θ＝15°、30°、45°、60°及び75°としたときの絞り部のコンダクタンスｇｎ及びサセプタンスｂｎの電磁界シミュレーションによる算出結果を示す。例えば給電導波管21内に周波数2.45GHzの電磁波を搬送する場合に、絞り部のコンダクタンスｇｎを回転角度θに応じて0.3〜1.0程度の範囲内で可変とし（同図（Ａ）参照）、絞り部のサセプタンスｂｎを回転角度θに拘わらず０付近とすることができる（同図（Ｂ）参照）。図４に示すように、周波数2.45GHzの電磁波に対するプローブ22のコンダクタンスｇｐは導体板23の回転角度φに応じて約0.7〜0.0の範囲で可変とすることができることから、導体板23の回転角度φに対応させて絞り板24、25の回転角度θを調整することにより、(2)式を満たす絞り部のコンダクタンスｇｎを選択できることが分かる。
【００２７】
両回転絞り板24、25の長さＣ及び厚さＴ２（図３参照）と、両絞り板24、25とプローブ22との間隔Ｌ２（図３参照）とは、上述した絞り部のアドミタンス（ｇｎ＋ｊｂｎ）が(2)式を満たすように適当に選択することができる。例えば、両絞り板24、25の長さＣを給電導波管21の幅Ｆの１／２とすれば、回転角度θ＝90°のときに両絞り板24、25を接触させて短絡板とすることも可能である。導体板23の回転角度φに応じてプローブ22のコンダクタンスｇｐを１に近付けることができれば、両絞り板24、25を接触させて短絡板とすることにより、プローブ22への電力の分配割合を100％に近付けることができる。
【００２８】
なお、図示例では一対の絞り板24、25をＥ面に取り付けているが、一対の絞り板24、25をＨ面に取り付けて絞り部のアドミタンス（ｇｎ＋ｊｂｎ）を変化させることも可能である。ただし、図３に示すように給電導波管21上に並列導波管10に重ねる場合を想定すると、絞り板24、25をＨ面に取り付けると回転角度θの調整が難しくなるので、絞り板24、25は回転角度θを調整しやすいＥ面に取り付けることが望ましい。
【００２９】
図６は、プローブ22への電力の分配割合に応じて導体板23の回転角度φ及び絞り板24、25の回転角度θを導出する方法の流れ図を示す。上述したように導体板23の回転角度φに応じてプローブ22の並列アドミタンス（ｇｐ＋ｊｂｐ）を変化させることができるが、厳密には並列アドミタンスのみでは導体板23を含めたプローブ22の特性を表現できないので、図１（Ｄ）に示すように導体板23を含めたプローブ22の特性を２端子対回路で表す。この２端子対回路の４端子定数を(11)式に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、(12)式のように変形することにより、プローブ22及び導体板23の上流側と下流側とを整合させる絞り部のアドミタンス（ｇｎ＋ｊｂｎ）は(13)式で表される。また、それを実部と虚部とに分けることにより、絞り部のコンダクタンスｇｎ及びサセプタンスｂｎを(14)式及び(15)式で表すことができる。
【００３０】
図６のステップS1では、給電導波管21内にプローブ22及び導体板23のみが存在すると仮定したうえで、導体板23の適当な回転角度φを与えて、電磁界シミュレーションにより導体板23を含めたプローブ22の４端子定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを算出する。次いでステップS2において、プローブ22及び導体板23の上流側と下流側とを整合させるための絞り部のコンダクタンスｇｎを(14)式により算出する。図７（Ａ）は、給電導波管21の搬送電磁波が周波数2.45GHzである場合に、導体板23の回転角度φを０°〜90°としたときの４端子定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いて(14)式により求めた絞り部のコンダクタンスｇｎの算出値のグラフを示す。同グラフには、(15)式により求めた絞り部のサセプタンスｂｎの算出値も併せて示す。電磁波の周波数が予め決められている場合は、ステップS2において図７（Ａ）のようなグラフから導体板23の回転角度φに対応する絞り部のコンダクタンスｇｎを求めることができる。
【００３１】
【数２】
2009094745.tif 000004
【００３２】
更に図６のステップS3において、給電導波管21内に回転絞り板24、25のみが存在すると仮定したうえで、ステップS2の算出したコンダクタンスｇｎに対応する一対の絞り板24、25の回転角度θを電磁界シミュレーションにより算出する。図７（Ｂ）は、搬送電磁波が周波数2.45GHzである場合に、絞り板24、25の回転角度θに応じた絞り部のコンダクタンスｇｎの算出値のグラフを示す。同グラフには、絞り部のサセプタンスｂｎの算出値も併せて示す。電磁波の周波数が決められている場合は、ステップS3において、図７（Ｂ）のようなグラフからコンダクタンスｇｎに対応する絞り板24、25の回転角度θを求めることができる。導体板23の回転角度φに対応する絞り板24、25の回転角度θが求まれば、同時にプローブ22への分配割合（＝ｇｐ／ｇｐ＋ｇｎ）が検出できるので（ステップS5）、プローブ22への分割割合に応じた導体板23の回転角度φ及び絞り板24、25の回転角度θの導出表36（表１及び図８参照）を作成することができる（ステップS6）。
【００３３】
表１は、搬送電磁波を周波数2.45GHzとしたときに、分岐部の導体板23の回転角度φを変えながら、図６の流れ図により求めた絞り板24、25の回転角度θ及びプローブ22からの取り出し電力割合の算出値の対応表を示す（ｄ＝０mmの欄を参照）。また表１には、回転角度θに応じた分岐部の電磁波の反射率S11（dB）も併せて示す。表１から、回転角度φ及び回転角度θに応じてプローブ22からの取り出し電力割合を−1.65dB〜−17.2dB（68.4％〜1.9％）の範囲内で調節できること、及びその際の反射率S11を−20dB以下に抑えることができることが分かる。
【００３４】
図８は、表１の取り出し電力に応じた導体板23の回転角度φ、絞り板24、25の回転角度θ、及び反射率S11をグラフに表したものである。表１又は図８のグラフを予め作成しておけば、プローブ22への分割割合を約２〜68％の範囲内で調節するために必要な導体板23の回転角度φ及び絞り板24、25の回転角度θを適宜導出することができる。なお、表１及び図８の算出に際しては、周波数2.45GHzであることから給電導波管21をＷＲＪ−２（横幅Ｆ＝109.22mm、高さＨ０＝54.61mm）とし、予備的な電磁界シミュレーションによりプローブ22の径Ｒ１と高さＤ、導体板23の高さＨと長さＢと厚さＴ１、導体板23とプローブ22との間隔Ｌ１、各絞り板24、25の高さＨと長さＣと厚さＴ２、及び絞り板24、25とプローブ22との間隔Ｌ２をそれぞれ適当に定めた（図３参照）。
【００３５】
図３に示すように、導体板23の回転角度φ及び絞り板24、25の回転角度θは、それらの回転軸23a、24a、25aと重なる軸を有するモータその他の適当な調整装置31、32、33を用いて容易に且つ精度よく調整することが可能である。図示例の調整装置31、32、33は、表１又は図８のグラフのような導出表36を記憶したコンピュータ等の制御装置35に接続されている。制御装置35により、プローブ22への電力分配割合の入力に応じて、その分割割合を与える導体板23の回転角度φ及び各絞り板24、25の回転角度θを導出表36から求め、その回転角度φ、θに応じた制御信号を調整装置31、32、33へ出力することにより、プローブ22への分配割合を制御することができる。なお、図３のように給電導波管21に電磁波伝搬方向に沿って複数の分岐部を設けた場合は、制御装置35を含む調整装置31、32、33により、各プローブ22への電力分配割合に応じて、各導体板23の回転角度φ及び各絞り板24、25の回転角度θをそれぞれ個別に調整することができる。
【００３６】
【表１】
2009094745.tif 000005
【００３７】
こうして本発明の目的である「無線電力を効率的に分配できると共に分配割合を容易に調整できる可変分配方法及び装置」の提供を達成できる。
【実施例１】
【００３８】
図２（Ａ）は、給電導波管21の分岐部のプローブ22近傍のＨ面に、管内への突出長ｄが可変の導体棒26を電界と平行に挿入した本発明の電力可変分配装置20の他の実施例を示す。上述したように図１の実施例では、導体板23の回転角度φと絞り板24、25の回転角度θとにより−20dB以下の反射率S11でプローブ22への分配電力を可変とすることができるが、例えば分配割合を50％以上（−３dB以上）又は５％以下（−13dB以下）とした場合に、反射率が若干大きくなる傾向が見られる。図２の実施例では、導体板23の回転角度φに応じて絞り板24、25の回転角度θと共に導体棒26の突出長ｄを調整することで、分岐部のサセプタンスを可変とし、プローブ22及び導体板23の上流側及び下流側の整合性を更に高めて反射を抑えることができる。図２（Ｂ）はその分岐ユニットを上から見た図を示し、同図（Ｃ）はその分岐ユニットの等価回路を示す。
【００３９】
図示例の導体棒26は、給電導波管21のプローブ22が挿入されるＨ面と対向する反対側のＨ面に挿入され、マイクロメータ又はウォームギア付きモータ等の調整装置34により管内への突出長ｄを可変としたものである（図３参照）。調整装置34を制御装置35と接続することにより、制御装置35で導体棒26の挿入長ｄを制御することができる。導体棒26をプローブ22と同じＨ面に挿入することも可能であるが、図３に示すように給電導波管21上に並列導波管10に重ねる場合を想定すると、給電導波管21と並列導波管10と間に配置すると導体棒26の挿入長ｄの調整及び精度確保が難しくなるので、導体棒26は挿入長ｄを調整しやすいプローブ22と反対側のＨ面に挿入することが望ましい。
【００４０】
【数３】
2009094745.tif 000006
【００４１】
図６のステップS4は、分岐部の反射を抑えるための導体棒26の挿入長ｄを求める処理を示す。図２（Ｄ）に示すように導体板23を含めたプローブ22の特性を２端子対回路で表した場合、絞り部のアドミタンス（ｇｎ＋ｊｂｎ）及び導体棒26のサセプタンスｂａは(21)式で表され、それを実部と虚部とに分けることにより、絞り部及び導体棒26のサセプタンス（ｂｎ＋ｂａ）を(23)式で表すことができる。ただし、導体棒26のサセプタンスｂａは正の値であるから、(23)式を満たすためには、絞り部のサセプタンスｂｎが(24)式を満たす必要がある。すなわち、ステップS3において絞り板24、25の回転角度θが決まると同時に絞り部のサセプタンスｂｎが求められるが、サセプタンスｂｎが(24)式を満たさなければ導体棒26の挿入長ｄに拘わらず(23)式を満たすことができないので、ステップS4をスキップして導体棒26を挿入長ｄ＝０mmとする。
【００４２】
図６のステップS4において、絞り部のサセプタンスｂｎが(24)式を満たす場合は、(23)式を満たす導体棒26の挿入長ｄを求める。例えば導体棒26の挿入長ｄを変えながら電磁界シミュレーションを繰り返し、反射が最小となる挿入長ｄを検出する。導体棒26の挿入長ｄが決まると、同時にプローブ22への分配割合（＝ｇｐ／ｇｐ＋ｇｎ）が定まり（ステップS5）、プローブ22への分配割合に応じた導体板23の回転角度φ、絞り板24、25の回転角度θ及び導体棒26の挿入長ｄの導出表36（表１及び図９参照）を作成できる（ステップS6）。
【００４３】
表１の対応表は、導体板23の回転角度φに応じた絞り板24、25の回転角度θの算出値と共に、絞り部のサセプタンスｂｎが(24)式を満たす場合に、図６のステップS4で求めた導体棒26の挿入長ｄを併せて示している（ｄ≠０mmの欄を参照）。表１には、回転角度θ及び挿入長ｄに応じた分岐部の電磁波の反射率S11（dB）も併せて示す。表１のｄ≠０mmの欄から分かるように、回転角度φ及び回転角度θが同じであっても、導体棒26の挿入長ｄを調整することにより、分岐部における反射を小さく抑えることができる。
【００４４】
図９は、表１の取り出し電力に応じた導体板23の回転角度φ、絞り板24、25の回転角度θ、導体棒26の挿入長ｄ、及び反射率S11をグラフに表したものである。同図と図８との比較から、分配割合（取出し割合）を50％以上又は５％以下とした場合でも、導体棒26の挿入長ｄを調整することで反射率が低減できることを確認できる。ただし、導体棒26の挿入長ｄによって反射を低減できる場合でも、図８に示すように挿入長ｄ＝０mmのときの反射は−20dB以下であることから、本発明の電力可変分配装置20によれば導体棒26がなくても充分に低反射な電力分配が実現できる。
【００４５】
図１０は、回転角度φ、回転角度θ、及び挿入長ｄを一定としたうえで、搬送電磁波の周波数を変化させたときの分岐部における電力の取り出し割合（分配割合）、透過割合、及び反射割合の変化を示す。同図（Ａ）〜（Ｆ）のグラフから、搬送電磁波の周波数が2.3〜2.6GHzの範囲内で変化しても、電力の取り出し割合（分配割合）はほぼ一定であることが分かる。すなわち、表１及び図９の導出表は、周波数2.45GHzの場合に限らず、周波数2.3〜2.6GHzの範囲内の電力を給電導波管21からプローブ22へ分配する場合に有効に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による無線電力の可変分配方法の一実施例の説明図である。
【図２】本発明による無線電力の可変分配方法の他の実施例の説明図である。
【図３】本発明による無線電力の可変分配装置の一実施例の説明図である。
【図４】本発明における回転導体板の作用の説明図である。
【図５】本発明における回転絞り板の作用の説明図である。
【図６】電力分配割合に応じた導体板の回転角度φ及び絞り板の回転角度θの導出表の作成方法の流れ図である。
【図７】導体板の回転角度φの導出表及び絞り板の回転角度θの導出表の作成方法の図式的説明図である。
【図８】図１の可変分配方法の性能を示すグラフである。
【図９】図２の可変分配方法の性能を示すグラフである。
【図１０】導体板の回転角度φ、絞り板の回転角度θ、及び導体棒の突出長さｄとプローブからの電力取り出し割合（dB）との関係を示すグラフである。
【図１１】無線電力伝送システムを設けた建物の床スラブの説明図である。
【図１２】従来の無線電力分配器の一例の説明図である。
【図１３】従来の無線電力分配器の他の一例の説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…建物                      ２…床
３…天井                      ５…コンクリート
６…鉄骨梁                    ８…天井材
10…並列導波管
11…デッキプレート            12…遮蔽板
13…給電導波管                14…中継導波管
15…電磁波発生装置            16…受電アダプタ
17…レクテナ                  18…コンセントボックスＲ
19…電気機器                  20…可変分配装置
21…給電導波管                22…同軸プローブ
22a…拡径部                  22b…同軸線路
23…導体板                    23a…導体板回転軸
24…絞り板                    24a…絞り板回転軸
25…絞り板                    25a…絞り板回転軸
26…導体棒                    31…導体板角度調整装置
32…絞り板角度調整装置        33…絞り板角度調整装置
34…導体棒突出長調整装置      35…制御装置
36…導出表
40…無線電力分配器            42…主導波管
43…分岐導波管                44…窓
46…誘導性壁部材              47…誘導性窓周縁部材
48…同軸線路                  48a…拡径部
50…無線電力分配器            51…導波管
52…同軸プローブ              53…絞り板
【図１】
2009094745.tif 000007
【図２】
2009094745.tif 000008
【図３】
2009094745.tif 000009
【図６】
2009094745.tif 000010
【図１０】
2009094745.tif 000011
【図１１】
2009094745.tif 000012
【図１２】
2009094745.tif 000013
【図１３】
2009094745.tif 000014
【図４】
2009094745.tif 000015
【図５】
2009094745.tif 000016
【図７】
2009094745.tif 000017
【図８】
2009094745.tif 000018
【図９】
2009094745.tif 000019