特許 7468378 無線給電システム

(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】

(24)【登録日】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】無線給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/20 20160101AFI20240409BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240409BHJP

   B64C 39/02 20060101ALI20240409BHJP

   B64F 1/36 20240101ALI20240409BHJP

   B64F 3/02 20060101ALN20240409BHJP

【ＦＩ】

H02J50/20

H02J7/00 P

H02J7/00 301D

B64C39/02

B64F1/36

B64F3/02

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021010341

(22)【出願日】2021-01-26

(65)【公開番号】P2022114167

(43)【公開日】2022-08-05

【審査請求日】2023-03-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的イノベーション創造プログラム「電解結合方式による駐機時近距離ＷＰＴシステム」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】弁理士法人サトー

(72)【発明者】

【氏名】市川 中

【審査官】田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１９５１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１２６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２０３９９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／２０

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｂ６４Ｃ ３９／０２

Ｂ６４Ｆ １／３６

Ｂ６４Ｆ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

屋外に設けられている駐機場（１１）と、前記駐機場に着陸した飛行装置との間において、電界結合を用いて非接触で電力を伝達する無線給電システムであって、
高周波の電力を生成する高周波生成部（２１）と、
前記駐機場に設けられ、前記高周波生成部で生成した高周波を出力する複数の送電電極（１３，４２，４４）と、
複数の送電電極に対応して設けられ、前記高周波生成部からの給電経路中に配置される複数のスイッチ（２２）と、
前記飛行装置が前記駐機場に着陸した位置を検出する位置センサ（１７，４５，４６）と、
この位置センサにより検出された前記飛行装置の位置に応じて、前記複数の送電電極のうち１つ以上を選択し、対応するスイッチをオンにする制御部（２０）とを備え、
前記制御部は、送電効率が最大となる送電電極，又は漏洩電磁界が最小となる送電電極を調整して選択し、対応するスイッチをオンにする無線給電システム。

【請求項2】

前記複数の送電電極の少なくとも一部の電極（４２，４４）は、その他の電極と形状が異なっている請求項１記載の無線給電システム。

【請求項3】

前記複数の送電電極のうち前記飛行装置が有している受電電極と相対する可能性が高いと想定される電極の面積は、その他の電極の面積よりも大きく設定されている請求項２記載の無線給電システム。

【請求項4】

前記位置センサは、変位センサ，圧力センサ又はスクリーンセンサの何れかである請求項１から３の何れか一項に記載の無線給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、屋外に設けられている駐機場に着陸した飛行装置との間において、電界結合を用いて非接触で電力を伝達する無線給電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

飛行装置の一例であるドローンは、例えばビルや橋梁，送電線等の建造物の点検や巡回監視等への適用が期待されているが、その飛行時間は機体を駆動するために搭載されているバッテリの容量によって制限される。ドローンの飛行時間を延ばすために容量が大きなバッテリを搭載すると、その重量が飛行性能に影響を及ぼしてしまう。

【0003】

そこで、ドローンに比較的容量が小さいバッテリを搭載し、飛行経路中に充電設備を備えた複数の駐機場を設置して、ドローンのバッテリを充電しながら飛行を継続することが考えられる。一般に駐機場は無人の屋外に設置されるため、充電を接触式で行うことを想定すると、接点の腐食や遺物による接触不良等の不具合が生じるおそれがあるため、充電は非接触式で行う方が望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－７１２８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ドローンを駐機場に着陸させる際には、操縦者の操縦技術や風のような外乱の影響を受けるため、着陸する位置にばらつきが発生する可能性が高い。そのばらつきの発生を考慮して、ドローンが備える受電電極に対して送電側の電極面積を大きく設定すると、送電効率が低下したり漏洩電磁界の発生が問題となってしまう。

【0006】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、飛行装置に対する非接触式での電力の送電を、効率良く且つ漏洩電磁界の発生を抑制して行うことができる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】

請求項１記載の無線給電システムによれば、駐機場において、高周波生成部で生成した高周波を出力する送電電極を複数設け、それら複数の送電電極に対応する複数のスイッチを、高周波生成部からの給電経路中に配置する。そして、位置センサにより、飛行装置が駐機場に着陸した位置を検出し、制御部は、検出された飛行装置の位置に応じて複数の送電電極のうち１つ以上を選択し、対応するスイッチをオンにする。このように構成すれば、飛行装置が駐機場に着陸した位置に応じて最適となる送電電極を選択的に用いて、飛行装置に電力を非接触式で送電することが可能になる。また、制御部は、対応するスイッチをオンにする際に、送電効率が最大となる送電電極，又は漏洩電磁界が最小となる送電電極を調整して選択する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態であり、送電システムの構成を示す機能ブロック図

【図2】送電及び受電システムの構成を示す機能ブロック図

【図3】ドローンの外観を模式的に示す正面図

【図4】ドローンの外観を模式的に示す平面図

【図5】中継基地に配置される送電電極部を示す平面図

【図6】電極位置センサの配置を模式的に示す正面図

【図7】制御回路の処理内容を示すフローチャート

【図8】ドローンが中継基地に駐機した際に、送電電極部と受電電極９が重なり合う状態の一例を示す図（その１）

【図9】ドローンが中継基地に駐機した際に、送電電極部と受電電極９が重なり合う状態の一例を示す図（その２）

【図10】ドローンが中継基地に駐機した際に、送電電極部と受電電極９が重なり合う状態の一例を示す図（その３）

【図11】ドローンを用いて、送電線を支える複数の鉄塔の巡回監視を行う状態を示す図

【図12】第２実施形態であり、送電電極の形状のバリエーションを示す図

【図13】第３実施形態であり、送電電極の形状のバリエーションを示す図

【図14】２つの受電電極がハの字状に配置された場合を示す図

【図15】第４実施形態であり、位置センサのバリエーションを示す図

【図16】第５実施形態であり、位置センサのバリエーションを示す図

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。図１１に示すように、本実施形態では、飛行装置であるドローン１を用いて、発電所において発電された電力を架空送電するため、送電線Ｗを支える複数の鉄塔Ｔの巡回監視を行う場合を想定する。そのため、駐機場である中継基地１１を、送電経路に沿って例えば数ｋｍ間隔で複数個所に配置する。中継基地１１には、ドローン１が駐機した際に、ドローン１に搭載されているバッテリに電界結合方式により非接触で電力を送電し、充電を行わせるための設備が設けられている。

【0010】

図３及び図４に示すように、ドローン１においては、短円筒状の本体２の上側方から四方向に延びるモータ支持部３の各先端に、モータ４が配置されている。モータ４の回転軸には、プロペラ５が接続されており、プロペラ５を回転させることで得られる浮力によりドローン１を浮上させて飛行を行う。本体２の下側方からは４つの脚支持部６が伸びており、左側２つの脚支持部６の先端には矩形板状の脚部７Ｌが固定され、右側２つの脚支持部６の先端には同形状の脚部７Ｒが固定されている。

【0011】

また、本体２の下方からは２つの電極支持部８が伸びており、左側の脚支持部８の先端には矩形板状の受電電極９Ｌが固定され、右側の電極支持部８の先端には同形状の受電電極９Ｒが固定されている。ドローン１が中継基地１１に駐機して脚部７の下面が接地した際に、受電電極９は、その下面が接地面より若干離間するように支持されている。

【0012】

図５に示す送電電極部１２Ｌ，１２Ｒは概ね矩形状であり、中継基地１１にドローン１が駐機した際に、受電電極９Ｌ，９Ｒの位置に対応するように配置される。送電電極部１２は、複数の送電電極１３の集合として構成されており、格子状に区切られている各電極１３の間は絶縁されている。ドローン１に非接触式で送電を行う際には、複数の送電電極１３の何れか１つ以上が選択される。送電電極部１２の全体は、受電電極９よりも面積が大きくなるように設定されている。

【0013】

図２に示す中継基地１１側の送電システムは、直流電力を供給する電源又はバッテリ１４を備え、直流電力をインバータ１５によって、例えば周波数ＭＨｚ～１０ＭＨｚ程度の高周波電力に変換する。整合回路１６は、インバータ１５が生成した高周波電力を平衡－不平衡変換して送電電極部１２Ｌ，１２Ｒに分配する。

【0014】

電極位置検出センサ１７，電力反射測定器１８及び漏洩電磁界測定器１９は、送電電極部１２付近に配置されている。電極位置検出センサ１７は、例えば図６に示すように、ドローン１が駐機した際に、受電電極９Ｌ，９Ｒの位置をレーザ光を用いて検出する変位センサである。電力反射測定器１８は、送電電極部１２によりドローン１側に高周波電力を送電した際に発生する電力の反射量を測定し、漏洩電磁界測定器１９は、その際に発生する漏洩電磁界を測定する。これらのセンサ等１７～１９によりセンシング又は測定された結果を出力する信号は、制御回路２０に入力される。

【0015】

制御回路２０は、マイクロコンピュータで構成され、上記のセンサ等１７～１９により入力された信号に応じて、送電電極部１２における複数の送電電極１３のうち、何れか１つ以上を選択して電力を送電する。図１では、バッテリ１４，インバータ１５及び整合回路１６を介して出力される高周波電力を、交流電源のシンボルにより高周波生成部２１として示している。その高周波生成部２１から各送電電極１３に給電する経路中には、各送電電極１３にそれぞれ対応したスイッチ２２が配置されている。制御回路２０は、複数のスイッチ２２の何れか１つ以上を選択的にオンして、対応する送電電極１３を用いて電力を送電する。

【0016】

ドローン１側の受電システムでは、受電電極９Ｌ，９Ｒに整流器３１が接続されており、受電した高周波電力が整流されてＤＣ－ＤＣコンバータ３２に入力される。ＤＣ－ＤＣコンバータ３２は数Ｖ程度の直流電力を生成し、充電器３３を介してバッテリ３４を充電する。バッテリ３４は、例えばリチウムイオン電池のような二次電池である。バッテリ３４には、モータ４を制御する制御部を含む例えばインバータのようなドライバ３５が接続されており、ドライバ３５はモータ４を駆動してプロペラ５を回転させる。

【0017】

次に、本実施形態の作用について説明する。図７に示すように、制御回路２０は、電極位置検出センサ１７が出力するセンサ信号により、ドローン１が中継基地１１に駐機したことを検知すると（Ｓ１）、同センサ信号によってドローン１の受電電極９Ｌ，９Ｒの位置を算出する（Ｓ２）。そして、受電電極９Ｌ，９Ｒの位置に応じて、電力を送電するのに最適と想定する送電電極１３を１つ以上選択し、選択した送電電極１３に対応するスイッチ２２をオンにしてドローン１側に送電する（Ｓ３）。

【0018】

図８～図１１は、ドローン１が中継基地１１に駐機した際に、送電電極部１２と受電電極９とが重なり合う状態の例示であり、制御回路２０は、送電電極部１２の領域内で受電電極９が重なっている位置にある、図中にハッチングを付して示す送電電極１３を選択することで、対応するスイッチ２２をオンにして送電する。

【0019】

送電を開始すると、制御回路２０は、電力反射測定器１８及び漏洩電磁界測定器１９の測定信号を参照する（Ｓ４）。尚、ここでは、ドローン１側に給電を行うが、バッテリ３４の充電は行わないようにする。そして、送電効率が予め想定した最大値を示すと共に、漏洩電磁界が予め想定した最小値を示すか否かを判断する（Ｓ５）。ここでの最大値，最小値は、予め実測を行うことで決めた値でも良いし、それぞれに所定の閾値を定めておき、それぞれの閾値を上回った，下回った際に最大値，最小値を決定しても良い。上記の最大値及び最小値を示さなければ（ＮＯ）、ステップＳ３で選択した送電電極１３を若干変更するように微調整して（Ｓ６）ステップＳ４に移行する。

【0020】

ステップＳ６において、送電電極１３を再度選択して調整する手法については、例えば全ての面が受電電極９と重なっていない送電電極１３を入れ替えたり、ＡＩ（Artificial Intelligence）により機械学習を行うことで、最大値及び最小値を示す送電電極１３を決定すること等が考えられる。

【0021】

送電効率が最大値を示すと共に、漏洩電磁界が最小値を示すと（Ｓ５；ＹＥＳ）、その時点で選択している送電電極１３に対応するスイッチ２２をオンにして（Ｓ７）、通電すなわちドローン１への送電を開始する（Ｓ８）。これにより、バッテリ３４への充電が行われる。ドローン１側において、バッテリ３４の端子電圧が所定値に達したことでバッテリ３４が満充電状態になると、ドローン１がその旨を制御回路２０に、例えば通信等により伝える（Ｓ９；ＹＥＳ）。すると、制御回路２０は、上記のスイッチ２２をオフにして通電を停止する（Ｓ１０）。

【0022】

以上のように本実施形態によれば、中継基地１１において、高周波生成部２１で生成した高周波を出力する送電電極１３を複数設け、それら複数の送電電極１３に対応する複数のスイッチ２２を、高周波生成部２１からの給電経路中に配置する。そして、電極位置検出センサ１７により、ドローン１が中継基地１１に着陸した位置を検出し、制御回路２０は、検出されたドローン１の位置に応じて複数の送電電極１３のうち１つ以上を選択し、対応するスイッチ２２をオンにする。

【0023】

このように構成すれば、ドローン１が中継基地１１に着陸した位置に応じて最適となる送電電極１３を選択的に用いて、ドローン１に電力を非接触式で送電することが可能になる。その際に、制御回路２０は、送電効率が最大となると共に漏洩電磁界が最小となる送電電極１３を選択するので、非接触式による送電を効率良く行うことができる。

【0024】

（第２，第３実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第２，第３実施形態は、送電電極の形状のバリエーションを示す。図１２に示す第２実施形態では、送電電極部４１を構成する送電電極４２の形状が、送電電極部４１を複数のランダムな斜線で区切った結果として得られる多角形状であり、各送電電極４２の形状が異なっている。このように構成すれば、送電電極４２を選択するため送電効率や漏洩電磁界を考慮する際に、測定値の変化がより大きくなる。

【0025】

また、図１３に示す第３実施形態の送電電極部４３は、周辺部分に第１実施形態と同様の送電電極１３が複数配置されているが、中央部には、送電電極１３よりも面積が大きい送電電極４４が配置されている。これは、ドローン１が中継基地１１に駐機した際に、受電電極９の位置が、送電電極部４３の中央部付近となる可能性が比較的高くなると想定したためである。尚、図１４は、受電電極９Ｌ，９Ｒが互いに平行ではなく、ハの字状に配置された場合を示している。

【0026】

このように構成すれば、ドローン１が中継基地１１に駐機した状態において、送電効率が良好となる可能性を高めることができ、第１実施形態のように送電電極１３の選択を微調整する手間を省くことができる。
（第４，第５実施形態）

【0027】

第４，第５実施形態は、位置検出センサのバリエーションを示す。図１５に示す第４実施形態では、位置検出センサとして、帯状に照射したレーザ光により対象物の位置を検出するスクリーンセンサ４５を用いた場合を示す。ドローン１が中継基地１１に駐機した際に、上記のレーザ光が、脚部７又は受電電極９の一端側に係るように配置することで、ドローン１が着陸した位置を検出する。

【0028】

また、図１６に示す第５実施形態では、位置センサとして、圧力センサ４６を用いた場合を示す。ドローン１が駐機した際に、脚部７が接地すると想定される範囲に係るように圧力センサ４６を配置することで、ドローン１が着陸した位置を検出する。

【0029】

（その他の実施形態）
ステップＳ６での判断を、送電効率，漏洩電磁界の測定を何れか一方のみ行った結果に基づいて行っても良い。
また、上記の測定を行わず、位置センサによるセンシングの結果のみに基づいて送電電極１３を選択しても良い。
電極位置検出センサ１７を、１つだけ用いても良い。
受電電極を、脚部内に配置しても良い。
電界結合を用いて非接触で電力を伝達する必要がある飛行装置であれば、ドローンと称されるものに限ることなく適用が可能である。

【0030】

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【符号の説明】

【0031】

図面中、１はドローン、９は受電電極、１１は中継基地、１２は送電電極部、１３は送電電極、２０は制御回路、２１は高周波生成部、２２はスイッチを示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】