特許 6973781 無線電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973781

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】無線電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20211118BHJP

   H01P 7/06 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H01P7/06

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-163258(P2017-163258)

(22)【出願日】2017年8月28日

(65)【公開番号】特開2019-41529(P2019-41529A)

(43)【公開日】2019年3月14日

【審査請求日】2020年8月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(72)【発明者】

【氏名】田村 昌也

(72)【発明者】

【氏名】二村 真司

(72)【発明者】

【氏名】高野 一平

(72)【発明者】

【氏名】古巣 大吾

【審査官】 杉田 恵一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平２−２３５４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１３５１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１２５１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−５０１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３７６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９３０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−４８９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２１４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 登録実用新案第３２０３１５０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１８４８７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０１６４３０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 渡邊耀介，高野一平，田村昌也，散乱体を有する遮蔽空間における空洞共振器理論を用いた無線電力伝送の基礎検討，電子情報通信学会技術研究報告，日本，一般社団法人電子情報通信学会，2016年02月05日，Vol.115 No.446，pp.17-20

【文献】 高野一平,古巣大吾,渡邊耀介,田村昌也，閉鎖空間内におけるキャビティ共振を用いた無線電力伝送方法に関する研究，電子情報通信学会技術研究報告，Vol.116 No.452，日本，電子情報通信学会，2017年02月10日，pp.27-30

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ ７／０６

Ｈ０２Ｊ ５０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

比透磁率を有する材料で形成された電磁波反射部材によって全体が包囲された構造体と、該構造体の内部に設置された少なくとも１つの送電部および少なくとも１つの受電部とを備え、
前記送電部は、前記構造体を導波路共振器と想定する場合における共振周波数による電磁波を送信するものであって、
該構造体の内部に設置された少なくとも１つのリアクタンス素子とみなすことができるインピーダンス可変プローブで前記送電部と前記受電部との間における伝送路間でインピーダンス整合させていることを特徴とする無線電力伝送システム。

【請求項2】

前記リアクタンス素子とみなすことができるインピーダンス可変プローブは、リアクタンス値を可変できることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。

【請求項3】

前記構造体は、一部が他と異なる種類の電磁波反射部材が使用されていることを特徴とする請求項１ないし２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項4】

前記構造体を包囲する電磁波反射部材は、一部の領域または全体に貫通孔を有するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項5】

前記貫通孔は、前記電磁波反射部材の一部または全部が、比透磁率を有する材料によって網目状に形成することによって設けられるものであることを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送システム。

【請求項6】

前記構造体の内部に金属体および／または絶縁体からなる障害物が設置される場合における前記共振周波数は、前記障害物をリアクタンス素子とみなして算出される共振周波数に設定されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線電力伝送システムに関するものである。とくに、本発明に係る無線電力伝送システムは、その内部に金属体や絶縁体などの障害物を有し、電磁波を反射する部材で囲われており、配管、エンジンルームや工場内部などに設置されたセンサ等へ無線で電力を供給、情報を送受信するための電気的構造および、それに用いる電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の離れた場所への無線電力伝送システムは、レクテナの原理に基づいて、電磁波を受電するアンテナと、前記アンテナと接続された整流回路からなる。前記アンテナを複数個近接して配置して実効的な受電面積を拡張させるアレー構造を設けることで無線電力伝送システムが構成される。

【0003】

レクテナを用いる無線電力伝送システムは、例えば、特許文献１や特許文献２が開示されている。特許文献１には、マイクロ波を受信する受信手段と、受信したマイクロ波を整流する第１及び第２整流回路と、前記受信手段と前記第１及び第２整流回路との間に介装されたハイブリッド回路を備えたレクテナが開示されている。また、特許文献２には、環境発電により得られた電力をセンサ及び無線通信部に供給する電源部および受信信号を電力に変換するレクテナを備えてなる無線センサシステムが開示されている。

【0004】

とくに、従来の電磁波を反射する部材（以下、電磁波反射部材という。）によって全体が包囲された無線電力伝送システムは、金属体や絶縁体などの障害物を有する見通しの悪い場所、あるいは見通しが良くても金属体や絶縁体などの障害物に隣接する場所へ電力を送電するべく、無線電力伝送システムを導波路共振器と想定した場合における共振周波数で電磁波を送電する。

【0005】

例えば、非特許文献１には、金属板で全体が包囲された構造体と、構造体の内部に設置された送電部と受電部を備え、構造体を導波路共振器と想定した場合における共振周波数で電磁波を送電する無線電力伝送システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−２３８５７号公報

【0007】

【特許文献2】特開２０１３−１３７６７１号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】高野一平，古巣大吾，渡邊耀介，田村昌也，“閉鎖空間内におけるキャビティ共振を用いた無線電力伝送方法に関する研究，”信学技報 WPT2016-62, vol.116, no.452，pp.27-30，Feb. 2017.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

このような従来の無線電力伝送システムでは、受電部によってそれぞれインピーダンスが異なるため、送受電間の整合が確保できる整合回路を受電部の数だけ設計して搭載しなければならず、受電部の設置制限が問題となっていた。

【0010】

すなわち、従来の無線給電システムでは、金属体や絶縁体などの障害物を有する見通しの悪い場所、あるいは見通しが良くても金属体や絶縁体などの障害物に隣接する場所など受電部を設置する場所によって送受電間の整合条件が変わるため、個別に設計した整合回路を搭載しなければならない。配管やエンジンルーム、工場内部などに設置されたセンサ等の端末は非常に多くの数が配置されるため、予め設置する場所にセンサ等を配置してセンサごとに送受電間のインピーダンスを測定し、個別整合した整合回路を搭載することになるため、インピーダンス測定が難しい場所などに設置することは困難である。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、受電端末ではなく電磁波反射材にインピーダンスを可変できるプローブ（以下、インピーダンス可変プローブという。）を備えることを特徴とする。該プローブにLC回路を接続すれば、LCの素子値を変えることでプローブの電気長を可変できる。結果、プローブ長に応じて電磁波反射材によって全体が包囲された構造体のインピーダンスが変わり、送受電間の整合を取ることができる。

【0012】

本発明に係る第一の無線電力伝送システムは、少なくとも１つ以上の受電部を備え、電磁波反射部材によって全体が包囲された構造体と、該構造体の内部に設置された少なくとも１つの送電部を備え、前記送電部は、前記設備本体を導波路共振器と想定する場合における共振周波数による電磁波を送電するものであって、前記構造体壁面および／または構造体内部にリアクタンス素子と接続されたインピーダンス可変プローブを少なくとも１つ以上備えていることを特徴とする。

【0013】

本発明に係る第二の無線電力伝送システムは、前記本発明に係る第一の無線電力伝送システムであって、前記リアクタンス素子は、リアクタンス値を可変できる機能を兼ね備えていることを特徴とする。

【0014】

本発明に係る第三の無線電力伝送システムは、前記本発明に係る第一または第二の無線電力伝送システムであって、前記構造体は、一部が他と異なる種類の電磁波反射部材が使用されていることを特徴とする。

【0015】

本発明に係る第四の無線電力伝送システムは、前記本発明に係る第一ないし第三のいずれかの無線電力伝送システムであって、前記構造体を包囲する電磁波反射部材は、一部の領域または全体に貫通孔を有するものであることを特徴とする。

【0016】

本発明に係る第五の無線電力伝送システムは、前記本発明に係る第四の無線電力伝送システムであって、前記貫通孔は、前記電磁波反射部材の一部または全部が、適宜な比透磁率を有する材料を周期的に形成することによって設けられるものであることを特徴とする。

【0017】

本発明に係る第六の無線電力伝送システムは、前記本発明に係る第一ないし第五のいずれかの無線電力伝送システムであって、前記構造体の内部に金属体および／または絶縁体からなる障害物が設置される場合における前記共振周波数は、前記障害物をリアクタンス素子とみなして算出される共振周波数に設定されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る無線電力伝送システムの電気的構成により、送受電間のインピーダンス整合を確保するための整合回路を受電部の設置場所に応じて設計せずとも、送受電器間のインピーダンス整合を確保することができるため、設置場所に関わらずどの場所でも必要な受電電力を確保することができる。その結果として、受電部の設置場所に応じて個別に整合回路を設計する必要なくセンサ等に必要な電力の供給が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る無線電力伝送システムの構成を表す図である。

【図2】本発明に係る無線電力伝送システムの伝送モデル表す図である。

【図3】本発明に係る無線電力伝送システムの構成を表す図である。

【図4】本発明に係る実施例１の無線電力伝送システムにおいて見通し内に受電器を設置した無線電力伝送システムの斜視図である。

【図5】ＳＭＡコネクタへの銅線の取り付け方法を表す斜視図である。

【図6】本発明に係る実施例１の無線電力伝送システムにおいて見通し外に受電器を設置した無線電力伝送システムの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明に係る無線電力伝送システムについて、図１を用いて説明する。図１は本発明に係る無線電力伝送システムの構成図である。図１において、無線電力伝送システム１は内部に少なくとも１つ以上の送電器２と、少なくとも１つ以上の受電器３と、電磁波を反射する材料である電磁波反射板４で全面が囲われた構造体５からなる。すなわち、前記無線電力伝送システム１は無線給電を実施する構造物全体を指している。このような前記構造体の壁面および／または構造体内部にリアクタンス素子６と接続されたインピーダンス可変プローブ７を少なくとも１つ以上備えている。

【0021】

前記電磁波反射板４は例えば、銅や鉄などの金属や高い比透磁率を有する導電性材料、それらからなるメッシュや網が挙げられる。
また、前記リアクタンス素子６は、例えば、金属をコイル状に巻いたインダクタやチップインダクタ、磁性体を機械的に変位させて誘導値を可変できる可変インダクタからなる誘導性素子、あるいは誘電体を金属で挟んだキャパシタやチップキャパシタ、電圧で容量値を可変できるバラクタダイオードからなる容量性素子のいずれか、あるいは両方で構成される。前記インピーダンス可変プローブ７は、金属棒やヘリカル状に巻いたモノポール形状や、あるいはコイル状に巻いたループ形状などで構成される。

【0022】

続いて、本構成を具体的に説明する。前記無線電力伝送システム１は前記構造体５で遮蔽された空間を有するため、導波管共振器として考えることができる。したがって、前記無線電力伝送システム１においてｘ軸方向の辺の長さａとｙ軸方向の辺の長さｂとｚ軸方向の辺の長さｃから求まる共振周波数ｆｒ１_{ｍ，ｎ，ｐ}を送電周波数に設定することで、

【0023】

【数1】

前記構造体５内全体に電磁界を分布させることができる。ここで、ｖは光速、μｒは比透磁率、εｒは比誘電率、ｍ、ｎ、ｐはそれぞれ整数を示している。

【0024】

最も低い周波数を示す共振周波数を基底共振周波数と呼ぶ。例えば、図１に示すように前記無線電力伝送システム１が直方体で表現され、前記送電器２を前記構造体５のｘｙ面の中央からｚ軸方向に配置した場合、ｍ＝１、ｎ＝１、ｐ＝０となるＴＥ１１０モードが基底共振周波数を示す。送電周波数を基底共振周波数に設定すると前記無線電力伝送システム１内全体に電磁界定在波が生じる。

【0025】

電界定在波の振幅が密な場所では磁界定在波の振幅が疎となり、電界定在波の振幅が疎の場所では磁界定在波の振幅は密となる。したがって、前記受電器３は電界定在波の振幅が密の場所では電界から、磁界定在波の振幅が密の場所では磁界から受電できる。また、電界定在波と磁界定在波の両方が存在する場所では両方の界から受電できる。

【0026】

このとき、前記無線電力伝送システム１は図２で示すように前記送電器２と前記構造体５と前記受電器３の縦続接続で表される。前記構造体５の散乱行列をＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２とした場合、図２に示す１−１’から受電器側を見た反射係数Ｓ１１’と、送電器の反射係数Γ１が、図２に示す２−２’から送電側を見た反射係数Ｓ２２’と受電側の反射係数Γ２がそれぞれ共役整合条件、すなわち、
送電器側の反射係数Γ１の複素共役Γ１^＊

【0027】

【数2】

受電器側の反射係数Γ２の複素共役Γ２^＊

【0028】

【数3】

を満たすとき、インピーダンスの整合を確保できる。つまり、前記構造体５の散乱行列を変えることで送受電間の共役整合、すなわち、インピーダンス整合を確保できる。

【0029】

前記構造体５の散乱行列は、基準のインピーダンスをＺ０、例えば送電側のインピーダンスをＺ０とすると、前記構造体５のインピーダンス行列（Ｚ１１、Ｚ１２、Ｚ２１、Ｚ２２）を用いることで

【数4】

と求めることができる。

【0030】

前記構造体５のインピーダンス行列は前記構造体５の内部に生じる電磁界定在波によって求められる。したがって、前記構造体５に設けた前記リアクタンス素子６と前記インピーダンス可変プローブ７によって前記構造体５の内部生じる電磁界定在波の分布を変えることで前記構造体５の散乱行列を変えることができる。

【0031】

つまり、電界定在波の振幅が密な場所では電界を反射させることで、磁界定在波の振幅が密の場所では磁界を反射させることで前記構造体５の内部に生じる電磁界定在波の分布を変えることができる。

【0032】

例えば、前記インピーダンス可変プローブ７を金属棒からなるモノポール形状の反射材で送電周波数の１／４波長よりも短い場合、前記リアクタンス素子６を可変インダクタで構成すると、可変インダクタの値を大きくするにつれ、前記インピーダンス可変プローブ７の電気長は長くできる。電気的に長さが伸びた前記インピーダンス可変プローブ７が、前記構造体５の内部に生じる電界定在波の振幅が最大となる領域に届くと、電界定在波が前記インピーダンス可変プローブ７によって反射されるため、電磁界定在波の分布が変化する。結果、前記構造体５の散乱行列が変化する。

【0033】

例えば、前記インピーダンス可変プローブ７を金属棒からなるモノポール形状の反射材で送電周波数の１／４波長よりも長い場合、前記リアクタンス素子６を可変キャパシタで構成すると、可変キャパシタの値を大きくするにつれ、前記インピーダンス可変プローブ７の電気長は短くできる。電気的に長さが短くなった前記インピーダンス可変プローブ７が、前記構造体５の内部に生じる電界定在波の振幅が最大となる領域から最小となる領域に届くと、前記インピーダンス可変プローブ７によって反射されていた電界定在波が前記インピーダンス可変プローブ７の影響を受け無くなるため、電磁界定在波の分布が変化する。結果、前記構造体５の散乱行列が変化する。結果、前記受電器３に整合回路を接続することなく、送受電間のインピーダンス整合を確保できる。

【0034】

前記無線電力伝送システム１の内部に少なくとも一面が前記電磁波反射板４と接続された金属体８が、少なくとも１つ以上存在する無線電力伝送システム９を考える。例えば図３に示すように前記無線電力伝送システム９の内部に配置された前記送電器１を前記構造体５のｘｙ面の中央からｚ軸方向に配置した場合、前記金属体８が電界定在波が集中する位置に配置されているならば電界エネルギーが蓄えられるため容量性、前記金属体８が磁界定在波が集中する位置に配置されているならば磁気エネルギーが蓄えられるため誘導性を示す。すなわち、前記金属体８はリアクタンス素子として動作する。その結果、前記無線電力伝送システム９の共振周波数ｆｒ２_{ｍ，ｎ，ｐ}は、前記無線電力伝送システム１の共振周波数ｆｒ１_{ｍ，ｎ，ｐ}よりも低周波となる。したがって、前記無線電力伝送システム９においては共振周波数ｆｒ２_{ｍ，ｎ，ｐ}を送電周波数に設定することで前記無線電力伝送システム９内全体に電磁界を分布させることができる。

【0035】

前記無線電力伝送システム９において、送電周波数を共振周波数ｆｒ２_{ｍ，ｎ，ｐ}に設定した場合、前記無線電力伝送システム１において送電周波数を共振周波数ｆｒ１_{ｍ，ｎ，ｐ}に設定した場合と同様に、前記無線電力伝送システム９内に生じる定在波は電界定在波が密な場所では磁界定在波が疎となり、電界定在波が疎の場所では磁界定在波は密となる。したがって、前記受電器３を電界定在波の振幅が密の場所では電界から、磁界定在波の振幅が密の場所では磁界から電力を抽出することができる。また、電界定在波と磁界定在波の両方が存在する場所では両方の界から電力を抽出することができる。

【0036】

このとき、前記無線電力伝送システム９は前記無線電力伝送システム１と同様に図２で示すように前記送電器２と前記構造体５と前記受電器３の縦続接続で表される。前記構造体５の散乱行列をＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２とした場合、１−１’から受電器側を見た反射係数Ｓ１１’と、送電器の反射係数Γ１が、２−２’から送電側を見た反射係数Ｓ２２’と受電側の反射係数Γ２がそれぞれ共役整合条件、すなわち、[数２]、[数３]で求められる送電器側の反射係数Γ１の複素共役Γ１^＊および、受電器側の反射係数Γ２の複素共役Γ２^＊を満たすとき、インピーダンスの整合を確保できる。つまり、前記構造体５の散乱行列を変えることで送受電間の共役整合、すなわち、インピーダンス整合を確保できる。

【0037】

前記構造体５の散乱行列は、前記構造体５のインピーダンス行列から求められることができる。前記構造体５のインピーダンス行列は前記構造体５の内部生じる電磁界定在波によって求められる。したがって、前記構造体５に設けた前記リアクタンス素子６と前記インピーダンス可変プローブ７によって前記構造体５の内部生じる電磁界定在波の分布を変えることで前記構造体５の散乱行列を変えることができる。結果、前記無線電力伝送システム９においても、前記受電器３に整合回路を接続することなく、送受電間のインピーダンス整合を確保できる。

【0038】

このような構成により、無線電力伝送システムのインピーダンスを可変することができるため、受電場所に応じて設計した整合回路を接続することなく効率よく受電電力を抽出することができ、その結果として、無線電力伝送効率の高効率化が実現できる。これにより、受電器３に接続された、例えば、温度センサや照度センサ、湿度センサなどを有するセンサモジュールといった電子機器を駆動させることができる。

【0039】

さらに、前記無線電力伝送システム１の内部に絶縁体が、少なくとも１つ以上存在する無線電力伝送システムを考える。すなわち、前記無線電力伝送システム９の前記金属体８を前記絶縁体に置き換えた場合である。例えば、前記無線電力伝送システム９と同様に前記無線電力伝送システムの内部に配置された前記送電器２を前記構造体５のｘｙ面の中央からｚ軸方向に配置した場合、前記絶縁体が電界定在波が集中する位置に配置されているならば前記絶縁体の誘電性からキャパシタとみなすことができる。一方、前記絶縁体が磁界定在波が集中する位置に配置されているならば前記絶縁体の磁性からインダクタとみなすことができる。すなわち、前記絶縁体はリアクタンス素子として動作する。その結果、前記無線電力伝送システムの共振周波数ｆｒ３_{ｍ，ｎ，ｐ}は、前記無線電力伝送システム１の共振周波数ｆｒ１_{ｍ，ｎ，ｐ}よりも低周波となる。したがって、前記無線電力伝送システムにおいては共振周波数ｆｒ３_{ｍ，ｎ，ｐ}を送電周波数に設定することで、前記無線電力伝送システム１と同様の効果を得ることができる。

【0040】

さらに、前記受電器３が複数個配置された場合を考える。このような場合も電界定在波の振幅が密の場所では電界から、磁界定在波の振幅が密の場所では磁界から、電界定在波と磁界定在波の両方が存在する場所では両方の界から電力を同時に抽出することができる。

【0041】

なお、複数個配置された前記受電器３から同時に電力を抽出する場合は、電力分配されるため前記受電器３の１個あたりの受電電力は低下するが、前記リアクタンス素子６の値および／または前記インピーダンス可変プローブ７の電気長を時間で可変することにより、ある時刻ではある受電器と前記送電器２のインピーダンス整合が確保され、またある時刻では別の受電器と前記送電器２のインピーダンス整合が確保される。すなわち、各受電器３が時分割に受電することで前記送電器２と前記受電器３を１対１とする状況を作り出すことができる。結果として、受電器１個あたりの受電電力を向上させることができる。

【0042】

なお、送電周波数を基底共振周波数に設定することで最も低い周波数で電力を伝送することができるため、整流回路の高効率化を実現できる。結果、無線電力伝送効率の向上が実現できる。

【0043】

なお、送電周波数を高次モード共振周波数に設定することで、電磁界定在波の疎密領域が増えるため、前記リアクタンス素子６および／または前記インピーダンス可変プローブ７を配置できる場所が増えるため、インピーダンス整合が容易となり、受電効率の高効率化を実現できる。結果、無線電力伝送効率の向上が実現できる。

【0044】

なお、前記電磁波反射板４は例えば、銅や鉄などの金属や高い比透磁率を有する導電性材料、それらからなるメッシュや網に置き換えた場合、電力供給する周波数においてのみ電磁波反射板として動作させることができる。そのため、送電する周波数とは別の周波数、例えば、情報通信を行う周波数はメッシュや網を通過するので、情報通信は前記無線電力伝送システム１外、あるいは前記無線電力伝送システム９外から制御することができる。例えば、前記無線電力伝送システム１内、あるいは前記無線電力伝送システム９内においてセンシングの指示やセンシングデータを前記無線電力伝送システム１外、あるいは前記無線電力伝送システム６外で送受信することができる。

【0045】

なお、前記電磁波反射板４は例えば、高い比透磁率を有する導電性材料、それら、あるいは銅や鉄などからなるメッシュや網に置き換えた場合、送電周波数において完全に金属で遮蔽した場合に比べて高いインピーダンス面として動作する。そのため、前記リアクタンス素子６および／または前記インピーダンス可変プローブ７によって可変できる前記構造体５のインピーダンス範囲を広範囲化できるので、インピーダンス整合が容易となり、受電効率の高効率化を実現できる。結果、無線電力伝送効率の向上が実現できる。

【0046】

なお、前記受電器３はダイポール形状やループ形状など差動による電位差で電力を取り出す形状に置き換えた場合、基準電位を前記受電器３自身で確保することができるため、前記構造体５に接続することなく電力を取り出すことができる。結果、任意の場所に受電器を配置することができる。

【実施例1】

【0047】

図４に示す前記電磁波反射板４をアルミニウムとし、前記送電器２と前記受電器３を銅製のモノポールプローブ、前記リアクタンス素子６を誘電体基板上に設けたリアクタンス回路、前記インピーダンス可変プローブ７を銅製のモノポールプローブ、前記金属体８をアルミニウムからなる障害物１０、１１、１２、１３からなる前記無線電力伝送システム９を考える。

【0048】

例えば、前記無線電力伝送システム９の内寸はｘ軸方向に４７０ｍｍ、ｙ軸方向に４７３ｍｍ、ｚ軸方向に８００ｍｍとする。前記無線電力伝送システム９の各面は導通接続されている。前記無線電力伝送システム９のうち前記送電器２は前記障害物１３が配置されている面１４と対抗する面１５に配置する。前記受電器３が配置されている前記障害物１０の面を面１６とする。

【0049】

前記送受電器２、３は、例えば、図５に示すようにパネルマウントタイプのＳＭＡコネクタ１７の中心導体１８に銅線１９をはんだづけしたものであり、例えば、ねじおよびナットにより前記面１４および面１５に固定することができる。前記インピーダンス可変プローブ７も同様に図５に示すように前記ＳＭＡコネクタ１７と前記銅線１９で構成することができ、前記構造体５にねじおよびナットにより固定することができる。

【0050】

前記リアクタンス素子６は、例えば、比誘電率３．４の誘電体基板上に設けたマイクロストリップラインにチップインダクタおよび／またはチップキャパシタを実装し、スルーホールでＧＮＤに接地した回路で実現できる。前記インピーダンス可変プローブ７とはＳＭＡコネクタ等を介して接続され、回路上のＧＮＤは前記構造体５にＳＭＡコネクタのＧＮＤを介して接続できる。

【0051】

例えば、前記送電器２はその中心と前記面１５の中心が一致する位置に、前記受電器３はその中心と前記面１６の中心が一致する位置にそれぞれ取り付ける。つまり、前記障害物１０、１２はｘ座標３００ｍｍ、ｙ座標４００ｍｍの大きさとし、厚みを２ｍｍとする。前記散乱体１０、１２それぞれの四隅に配置された前記障害物１１、１３は高さがそれぞれ３００ｍｍ、１００ｍｍとし、ｘ軸方向およびｙ軸方向に２５ｍｍずつの長さ、２ｍｍの幅をもつＬ字アングルとする。前記障害物１０、１１、１２、１３は前記面１４と導通させるため、例えば鋼製のねじを用いて固定される。

【0052】

前記障害物１０、１１、１２、１３を含まない前記無線電力伝送システム１の基底共振周波数は、その内寸から計算式より、

【0053】

【数5】

と求められる。

【0054】

一方、前記障害物１０、１１、１２、１３を含んだ前記無線電力伝送システム９は前記無線電力伝送システム１に比べてリッジ効果により共振周波数は低周波化する場合がある。この共振周波数は電磁界シミュレーションなどを用いることで構造から容易に計算することができる。例えば、図４に示す構造の基底共振周波数は４５０．３ＭＨｚとなる。よって、電力伝送に用いる周波数を４５０．３ＭＨｚに設定する。

【0055】

なお、インピーダンスの可変しやすさから電磁界定在波の疎密の数が多い高次モード共振を電力伝送に用いる周波数に設定してもよい。
このような構成において、例えば、電力伝送に用いる周波数を図４の高次モードであるＴＥ１１２モードに設定すると、５８７．７ＭＨｚとなる。このとき、前記送受電器２、３を構成する前記銅線１８の長さをそれぞれ８３ｍｍにすることで、電力伝送効率は８７．０％となる。

【0056】

ここで、例えば、前記銅線１８の長さが８３ｍｍのモノポール形状の前記インピーダンス可変プローブ７を、前記面１５のｘ軸に平行な２辺、ｙ軸に平行な２辺の各中心から面１４側に向けてｚ軸方向に長さ１９５ｍｍにそれぞれ１本ずつ合計４本固定した場合、前記リアクタンス素子６のリアクタンス値をｘ軸に平行な２辺の設けた前記インピーダンス可変プローブ７に接続するリアクタンス素子６は１３９．７Ωとなるように、ｙ軸に平行な２辺に設けた前記インピーダンス可変プローブ７に接続するリアクタンス素子６は４３５．８Ωとなるように設計することで、面１６に設けた前記受電器３への電力伝送効率は８７．６％まで改善される。正の値を示すリアクタンス値はインダクタで、負の値を示すリアクタンス値はキャパシタを使うことで実現できる。

【0057】

一方、例えば、図６に示すように前記送電器２の見通し外となるように前記散乱体１１が配置されている前記散乱体１２の面２０に前記受電器３を配置し、前記送電器２および前記受電器３を構成する前記銅線１９の長さをそれぞれ８３ｍｍにする。このとき、電力伝送に用いる周波数を図４の高次モードであるＴＥ１１２モード、すなわち、５８７．７ＭＨｚとなる。電力伝送効率は８３．４％となる。

【0058】

ここで、例えば、前記銅線１８の長さが８３ｍｍのモノポール形状の前記インピーダンス可変プローブ７を、前記面１５のｘ軸に平行な２辺、ｙ軸に平行な２辺の各中心から面１４側に向けてｚ軸方向に長さ２００ｍｍにそれぞれ１本ずつ合計４本固定した場合、前記リアクタンス素子６のリアクタンス値をｘ軸に平行な２辺の設けた前記インピーダンス可変プローブ７に接続するリアクタンス素子６は１０９．０Ωとなるように、ｙ軸に平行な２辺に設けた前記インピーダンス可変プローブ７に接続するリアクタンス素子６は４９３．３Ωとなるように設計することで、前記面２０に設けた前記受電器３への電力伝送効率は８８．４％まで改善される。正の値を示すリアクタンス値はインダクタで、負の値を示すリアクタンス値はキャパシタを使うことで実現できる。

【0059】

これにより、受電器３に接続された、例えば、温度センサや照度センサ、湿度センサなどを有するセンサモジュールといった電子機器を駆動させることができる。

【0060】

なお、前記電磁波反射板４は金属板に限定されず、網目が電力伝送に使用する周波数の波長より十分短い銅や鉄などの金属や高い比透磁率を有する導電性材料など電磁波を反射する材料でも代用できる。これにより、軽量化や通気性の確保が可能であり、より広い用途に適用することができる。

【符号の説明】

【0061】

１、９ 無線電力伝送システム
２ 送電器
３ 受電器
４ 電磁波反射板
５ 構造体
６ リアクタンス素子
７ インピーダンス可変プローブ
８、１０、１１、１２、１３ 障害物
１４ 障害物１３が配置されている面
１５ 面１４と対抗する面
１６ 障害物１０の面
１７ ＳＭＡコネクタ
１８ 中心導体
１９ 銅線
２０ 障害物１１が配置されている面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】