特許 7593587 アンテナ装置、給電装置、及び給電方法

(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】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】アンテナ装置、給電装置、及び給電方法

(51)【国際特許分類】

   H01Q 3/36 20060101AFI20241126BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20241126BHJP

   H02J 50/23 20160101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

H01Q3/36

H01Q21/06

H02J50/23

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020151849

(22)【出願日】2020-09-10

(65)【公開番号】P2022046025

(43)【公開日】2022-03-23

【審査請求日】2023-05-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】藤井 正明

【審査官】佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１３６９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２０８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０８０２８５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ３／３６

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

Ｈ０２Ｊ ５０／２３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、
前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電装置にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電装置が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、
前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部と、
前記仰角取得部によって取得される仰角がゼロ度のときに、前記画像取得部によって取得される画像に基づいて、前記画像取得部から前記マーカまでの距離を推定する距離推定部と
を含み、
前記格納部は、前記複数セット分の前記位相データを前記画像取得部から前記マーカまでの複数種類の距離に応じて複数格納しており、
前記制御部は、前記距離推定部によって推定される距離と、前記仰角取得部によって取得される仰角とに応じた前記位相データを前記格納部から読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記位相調節部を制御する、アンテナ装置。

【請求項2】

前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの重心の位置に基づいて、前記第２軸方向における前記画像取得部と前記マーカとの位置ずれを検出する位置ずれ検出部をさらに含み、
前記距離推定部は、前記位置ずれ検出部によって検出される位置ずれの度合に応じて補正された前記画像に基づいて、前記画像取得部から前記マーカまでの距離を推定する、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項3】

前記仰角取得部は、前記第２位置を前記第１軸に写像した写像位置の座標を前記魚眼レンズの焦点距離で除算した値を、前記仰角として求める、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

前記写像位置の座標は、前記極座標における動径に偏角の余弦を乗算した値で表される、請求項３に記載のアンテナ装置。

【請求項5】

前記複数のアンテナ素子は、前記第２軸方向に沿って伸びる複数のサブアレイにグループ分けされており、
前記位相調節部は、前記複数のサブアレイにそれぞれ接続され、前記送電信号の位相をサブアレイ毎に調整する複数の位相シフタである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

【請求項6】

第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、
前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電装置にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電装置が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、
前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部と、
前記仰角取得部によって取得される仰角がゼロ度のときに、前記画像取得部によって取得される画像に基づいて、前記画像取得部から前記マーカまでの距離を推定する距離推定部と
を含み、
前記格納部は、前記複数セット分の前記位相データを前記画像取得部から前記マーカまでの複数種類の距離に応じて複数格納しており、
前記制御部は、前記距離推定部によって推定される距離と、前記仰角取得部によって取得される仰角とに応じた前記位相データを前記格納部から読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記位相調節部を制御する、給電装置。

【請求項7】

第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、
前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電装置にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電装置が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、
前記仰角取得部によって取得される仰角がゼロ度のときに、前記画像取得部によって取得される画像に基づいて、前記画像取得部から前記マーカまでの距離を推定する距離推定部と
を含む給電装置において、
前記格納部は、前記複数セット分の前記位相データを前記画像取得部から前記マーカまでの複数種類の距離に応じて複数格納しており、
前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御し、
前記距離推定部によって推定される距離と、前記仰角取得部によって取得される仰角とに応じた前記位相データを前記格納部から読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記位相調節部を制御する、給電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンテナ装置、給電装置、及び給電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、無線送電装置であって、飛行体に搭載された無線受電装置に給電用のエネルギビームを送出するビーム送出部と、前記無線受電装置の受電効率を高めるための制御情報を取得する情報取得部と、前記制御情報に基づいて、前記無線受電装置の受電効率が高まるように前記エネルギビームの制御を行う制御部とを有することを特徴とする無線送電装置がある。送電アンテナとしてアレイアンテナを用いてもよいことが記載されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１３５９００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、アレイアンテナの複数のアンテナ素子から送電して無線受電装置が受電する場合に、従来の無線送電装置のように無線受電装置が飛行体に搭載されている場合には、無線送電装置（給電装置）と無線受電装置（受電装置）との間には十分な距離がある。このため、複数のアンテナ素子と受電装置との間の距離差は無視できる程度であり、複数のアンテナ素子から同一のターゲットに送電しても受電装置が受電する際に受信位相ずれは小さく殆ど問題にならない。

【0005】

しかしながら、受電装置と給電装置との間の距離が数メートル程度と近距離である場合には、複数のアンテナ素子から同一のターゲットに送電すると、受電装置が受電する際には送電距離の差が大きく受電位相ずれが大きくなるため、合成の受電電力が低減されるという問題が生じうる。

【0006】

そこで、近距離でも受電装置が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態のアンテナ装置は、第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電器にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電器が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部とを含む。

【発明の効果】

【0008】

近距離でも受電装置が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態の給電装置１００を示す図である。

【図2】実施形態の給電装置１００を示す図である。

【図3】アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。

【図4】位相データの求め方を説明する図である。

【図5】アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の効果を説明する図である。

【図6】給電装置１００の適用例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明のアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を適用した実施形態について説明する。

【0011】

＜実施形態＞
図１は、実施形態の給電装置１００を示す図である。給電装置１００は、アレイアンテナ１１０、フェーズシフタ１２０、マイクロ波発生源１３０、カメラ１４０、及び制御装置１５０を含む。実施形態のアンテナ装置１００Ａは、給電装置１００からマイクロ波発生源１３０を除いたものである。

【0012】

以下では、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。平面視とはＸＹ平面視のことである。また、Ｘ軸は第１軸の一例であり、Ｙ軸は第２軸の一例であり、Ｚ軸は第３軸の一例である。また、ＸＹ平面は第１平面の一例であり、ＸＺ平面は第２平面の一例である。

【0013】

アレイアンテナ１１０は、一例としてＮ個のサブアレイ１１０Ａにグループ分けされている。Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの１番目（＃１）からＮ番目（＃Ｎ）を示す。ここで、Ｎは２以上の整数であるが、図１には一例としてＮが４以上の偶数である形態を示す。Ｎ個のサブアレイ１１０Ａは、Ｘ軸方向に配列されており、各サブアレイ１１０Ａは、一例として４つのアンテナ素子１１１を含む。このため、アレイアンテナ１１０は、一例として４Ｎ個のアンテナ素子１１１を含む。アンテナ素子１１１は、平面視で矩形状のパッチアンテナである。アレイアンテナ１１０は、アンテナ素子１１１の－Ｚ軸方向側にグランド電位に保持されるグランド板を有していてもよい。なお、一例として、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心は、ＸＹＺ座標系の原点と一致している。また、各サブアレイ１１０Ａが含むアンテナ素子１１１の数は、２個以上であればよく、二次元的に配置されていればよい。

【0014】

以下では、図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、実施形態の給電装置１００を示す図である。図２では、図面を見やすくするためにＸＹＺ座標系の原点をずらして示すが、以下では図１に示すようにＸＹＺ座標系の原点が４Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心と一致しているものとして説明する。また、図２には、各サブアレイ１１０Ａについて、Ｘ軸の－Ｙ軸方向側に隣接する１つのアンテナ素子１１１を示す。また、図２には、制御装置１５０に含まれる構成要素と、マーカ５０Ａ及び受電装置５０Ｂを示す。マーカ５０Ａ及び受電装置５０Ｂは、一例としてトンネルの内壁５１に固定されている。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、一例として、作業車両に搭載してトンネル内を走行しながら、トンネルの内壁５１に取り付けられたマーカ５０Ａを検出して、受電装置５０Ｂに向けて送電を行う。

【0015】

また、図２では、マーカ５０Ａは、ＸＺ平面視においてＺ軸から角度θｂの方向に存在する。図２では説明の便宜上、ＸＹＺ座標系をずらして示すが、ＸＹＺ座標系の原点が４Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心と一致しているため、角度θｂは、ＸＺ平面内でＸＹＺ座標系の原点とマーカ５０Ａとを結ぶ直線がＺ軸となす角度である。角度θｂは、ＸＺ平面を＋Ｙ軸方向側から見て、＋Ｘ方向側に振れているときを正の値で示し、－Ｘ方向側に振れているときの値を負の値で示す。

【0016】

フェーズシフタ１２０は、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａに対応してＮ個設けられており、Ｎ個のフェーズシフタ１２０は、それぞれＮ個のサブアレイ１１０Ａのアンテナ素子１１１に接続されている。各サブアレイ１１０Ａの中では、４つのアンテナ素子１１１は、１つのフェーズシフタ１２０に並列に接続されている。フェーズシフタ１２０は、位相調節部の一例である。

【0017】

各サブアレイ１１０Ａの中では、４つのアンテナ素子１１１には同一の位相の送電信号が供給される。また、Ｎ個のフェーズシフタ１２０がＮ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ出力する送電信号の位相は互いに異なる。このため、４Ｎ個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームの角度（仰角）をＸＺ平面内で制御することができる。

【0018】

４Ｎ個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームは、アレイアンテナ１１０が出力するビームと同義である。また、アレイアンテナ１１０が出力するビームは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームと同義である。

【0019】

マイクロ波発生源１３０は、Ｎ個のフェーズシフタ１２０に接続されており、所定の電力のマイクロ波を供給する。マイクロ波発生源１３０は、電波発生源の一例である。マイクロ波の周波数は、一例として９１５ＭＨｚである。なお、ここでは給電装置１００がマイクロ波発生源１３０を含む形態について説明するが、マイクロ波に限られるものではなく、所定の周波数の電波であればよい。

【0020】

カメラ１４０は、Ｘ方向においてはＮ／２番目のサブアレイ１１０Ａと、Ｎ／２＋１番目のサブアレイ１１０Ａとの間に配置され、Ｙ軸方向においては、各サブアレイに含まれる４つのアンテナ素子１１１のうちの＋Ｙ軸方向側から２番目のアンテナ素子１１１と３番目のアンテナ素子１１１との間に配置される。カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１及びカメラ本体１４２を有する。カメラ１４０は、画像取得部の一例である。図２では、カメラ本体１４２を撮像部１４２Ａと画像処理部１４２Ｂとに分けて示す。

【0021】

魚眼レンズ１４１は、等距離射影方式を採用したレンズである。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、一例として、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点と一致している。カメラ本体１４２は、カメラ１４０のうち魚眼レンズ１４１以外の部分であり、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサを含むカメラ、又は、赤外線カメラであってもよい。

【0022】

カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１を通じてマーカ５０Ａを含む画像を取得し、画像データを制御装置１５０に出力する。マーカ５０Ａは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームを照射したいターゲットである受電用のアンテナを有する受電装置５０Ｂに取り付けられている。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、カメラ１４０で取得した画像に含まれるマーカ５０Ａの位置を求め、受電装置５０Ｂに向けてビームを照射する。

【0023】

カメラ本体１４２は、撮像部１４２Ａと画像処理部１４２Ｂを有する。撮像部１４２Ａは、撮像素子を含み、魚眼レンズ１４１を通じて撮像を行うことによって、画像データを取得する部分である。画像処理部１４２Ｂは、撮像部１４２Ａによって取得された画像データに対して２値化処理等の画像処理を行い、ピクセルインデックスを制御装置１５０に出力する。ピクセルインデックスは、マーカ５０Ａの撮像画面上の位置を示すＸＹ座標値（アドレス）である。

【0024】

制御装置１５０は、位置導出部１５１、仰角取得部１５２、位置ずれ検出部１５３、距離推定部１５４、制御部１５５、及びメモリ１５６を有する。制御装置１５０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及びメモリを含むコンピュータによって実現される。位置導出部１５１、仰角取得部１５２、位置ずれ検出部１５３、距離推定部１５４、制御部１５５は、制御装置１５０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１５６は、制御装置１５０のメモリを機能的に表したものである。

【0025】

ここで、位置導出部１５１、仰角取得部１５２、位置ずれ検出部１５３、距離推定部１５４、制御部１５５、メモリ１５６については、図１及び図２に加えて図３を用いて説明する。図３は、アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。図３には、給電装置１００のうちのアレイアンテナ１１０のサブアレイ１１０Ａと、各サブアレイ１１０Ａに含まれるアンテナ素子１１１と、アレイアンテナ１１０から出力されるビーム１１５とを示し、これら以外の構成要素を省略する。また、図３には、ＸＹ平面に平行な平面１上における極座標系を示す。

【0026】

また、ＸＹＺ座標系におけるマーカ５０Ａの位置をＰ１とし、原点Ｏと位置Ｐ１を結ぶ線分の仰角をθ、方位角をφとする。仰角は＋Ｚ軸方向に対する角度であり、方位角は＋Ｘ方向に対する角度であり、＋Ｚ軸方向側から見た平面視で時計回りを正の値とする。また、位置Ｐ１をＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分の仰角をθａとする。

【0027】

位置Ｐ１は、第１位置の一例であり、位置Ｐ１ａは、投影位置の一例である。また、原点ＯはＸＹＺ座標系の基準点の一例である。

【0028】

アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、アレイアンテナ１１０が出力するビーム１１５の仰角をＸＺ平面内でのみ制御する。これは、アレイアンテナ１１０がＹ軸方向に同相給電を行っているためＹ軸方向では固定のビームとなっておりＺ軸を０度とする仰角方向にビームを振ることができることと、受電装置５０Ｂの位置がＸＺ平面からあまりずれていない（例えば、ＹＺ平面内でのＺ軸に対する仰角で±３０度以内程度）ことを想定している。このような位置にある受電装置５０Ｂであれば、ビーム１１５の仰角をＸＺ平面内で制御するだけで、アレイアンテナ１１０の制御部の規模を抑えつつ、受電装置５０Ｂにビーム１１５を効率的に照射できるからである。

【0029】

位置導出部１５１は、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスに基づいて位置マーカ画像の重心を計算する。画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスは、魚眼レンズ１４１を通じて得た等距離射影の画像を表す。この画像処理により、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカのアレイアンテナ１１０に対する位置Ｐ１は、ＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換される。このようにして位置導出部１５１は、位置Ｐ２を導出する。位置Ｐ１は、位置導出部１５１によって計算される重心の位置である。位置Ｐ２は、第２位置の一例である。

【0030】

位置Ｐ２は、原点Ｏからの動径ｒと偏角φによって表される。動径ｒは、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆ_Ｌとすると、ｒ＝ｆ_Ｌθで表される。偏角φは方位角φと同一である。位置導出部１５１は、上述の画像処理によって、動径ｒをＸ軸に写像したｒ・ｃｏｓφを求める。位置導出部１５１は、位置Ｐ２を表すデータを仰角取得部１５２に出力する。

【0031】

仰角取得部１５２は、位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆ_Ｌで除算した値（ｒ・ｃｏｓφ／ｆ_Ｌ）を、仰角θａとして取得（計算）する。このようにして仰角θａを取得できる理由については後述する。仰角取得部１５２は、仰角θａを距離推定部１５４と制御部１５５に出力する。

【0032】

位置ずれ検出部１５３は、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスに基づいてマーカ５０Ａの形状及び重心を求め、マーカ５０Ａが存在する範囲内における重心の位置に基づいて、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれを検出する。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、一例として、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点と一致しているため、一例として、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていない場合の重心のＹ軸方向の位置をＹ＝０とすればよい。位置ずれ検出部１５３は、求めたマーカ５０Ａの存在範囲内における重心のＹ軸方向の位置がＹ＝０であればカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれは生じていないと判定する。また、位置ずれ検出部１５３は、求めたマーカ５０Ａの存在範囲内における重心のＹ軸方向の位置がＹ＝０でなければカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていると判定し、位置ずれを検出する。位置ずれ検出部１５３は、検出結果を距離推定部１５４に出力する。なお、重心の位置は、位置導出部１５１から取得してもよい。

【0033】

距離推定部１５４は、仰角取得部１５２によって計算される仰角θａがゼロ度（０度）のときに、カメラ１４０の画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスの数に基づいて、魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの距離を推定する。仰角θａが０度であることは、Ｚ軸方向においてマーカ５０Ａが魚眼レンズ１４１の正面に存在する（マーカ５０Ａの重心がＺ軸上に存在する）ことを意味する。

【0034】

距離推定部１５４は、仰角θａが０度であるときの魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの対向距離ｒ_ＦＤを推定する。対向距離ｒ_ＦＤは、カメラ１４０に対してマーカ５０ＡがＺ軸上で対向したときの距離である。

【0035】

例えば、Ｚ軸上においてカメラ１４０とマーカ５０Ａとを複数種類の距離で隔てた場合に画像処理部１４２Ｂが取得した複数の２値化されたピクセルインデックスの数を予めメモリ１５６に格納しておく。そして、距離推定部１５４は、仰角θａがゼロ度（０度）のときに、カメラ１４０の画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスの数をカウントし、メモリ１５６に格納された複数の対向距離ｒ_ＦＤに対応する複数のリファレンスデータと比較することで、仰角θａが０度のときにおける魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの対向距離ｒ_ＦＤを推定する。対向距離ｒ_ＦＤによってピクセルインデックスの数が異なるため、ピクセルインデックスの数に基づいて、対向距離ｒ_ＦＤを推定することができる。

【0036】

なお、仰角θａがゼロ度（０度）のときにカメラ１４０の画像処理部１４２Ｂから複数回にわたってピクセルインデックスが出力される場合は、複数のピクセルインデックスの数の平均に基づいて対向距離ｒ_ＦＤを推定すればよい。

【0037】

また魚眼レンズ１４１を用いているため、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じている場合には、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていない場合と比べると、同じ対向距離ｒ_ＦＤであってもピクセルインデックス数が小さくなる。このため、位置ずれ検出部１５３がＹ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていると判定した場合には、距離推定部１５４は、Ｙ軸方向における位置ずれに対してピクセルインデックス数が変化する度合を表すデータを予めメモリ１５６に格納しておき、Ｙ軸方向の位置ずれの度合に応じて補正したピクセルインデックス数を用いて、対向距離ｒ_ＦＤを推定すればよい。

【0038】

制御部１５５は、アレイアンテナ１１０が放射するビームの方向がＸＺ平面内で仰角θａになるようにフェーズシフタ１２０における位相のシフト量を制御する。仰角θａは、仰角取得部１５２によって取得される。また、制御部１５５は、マイクロ波発生源１３０の出力制御、及び、カメラ１４０の撮影制御等を行う。

【0039】

制御部１５５は、フェーズシフタ１２０における位相のシフト量の制御については具体的に次のように行う。制御部１５５は、距離推定部１５４によって推定される対向距離ｒ_ＦＤと、仰角取得部１５２によって取得される仰角θａとに応じた位相データをメモリ１５６から読み出し、読み出した位相データに基づいてＮ個のフェーズシフタ１２０における位相のシフト量を制御する。

【0040】

ここで、受電装置５０Ｂのアンテナが効率的に受電するには、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０Ｂのアンテナが受電する際の送電信号の位相が等しいことが理想的である。ところで、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、アレイアンテナ１１０から例えば３ｍから７ｍ程度の近距離に位置する受電装置５０Ｂに送電信号を送電する。トンネルの内壁５１に取り付けられた受電装置５０Ｂに送電する場合には、角度θｂが０度の状態においてアレイアンテナ１１０から受電装置５０Ｂまでの距離は、約３ｍ～約５ｍ程度である。

【0041】

このような近距離での送電を想定しているため、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの各々から受電装置５０Ｂのアンテナまでの距離の相対的な差は比較的大きく、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａが同一のターゲットに送電すると、受電装置５０ＢのアンテナがＮ個のサブアレイ１１０Ａから受電する送電信号の位相は揃わず、受電装置５０Ｂは効率的に受電できなくなる。Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの各々から受電装置５０Ｂのアンテナまでの距離の差は、角度θｂと、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０ＢのアンテナまでのＺ軸方向の距離とによって異なる。

【0042】

そこで、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、受電装置５０ＢのアンテナがＮ個のサブアレイ１１０Ａから受電する送電信号の位相が揃うように、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの各々が送電する際の位相を調整するための位相データを用いる。ここでは、一例として、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が移動するにつれて仰角θａが＋７０度から－７０度に変化する際に送電を行うことを想定して、１度刻みでＮ個のサブアレイ１１０Ａの位相のシフト量を調整可能な複数セット分の位相データを用意する。各位相データは、ある１つの仰角θａに対応してＮ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０に設定するＮ個の位相のシフト量を含む。このような位相データを仰角θａの＋７０度から－７０度までの範囲について１度刻みで１４１セット用意したのが、ある対向距離ｒ_ＦＤについての複数セット分の位相データである。また、複数の対向距離ｒ_ＦＤの各々に応じてＮ個のサブアレイ１１０Ａの位相のシフト量を調整可能にするために、複数セット分の位相データを複数の対向距離ｒ_ＦＤの分だけ用意する。なお、位相データは、角度θｂに基づいて作成されるデータであるため、図２には複数セット分の位相データψ_３（θｂ）～ψ_７（θｂ）をθｂを用いて示す。制御部１５５は、仰角θａと等しい角度θｂについての複数セット分の位相データを用いればよい。

【0043】

制御部１５５は、距離推定部１５４によって推定される対向距離ｒ_ＦＤに応じた複数セット分の位相データを用いて、複数セット分の位相データの中から仰角取得部１５２によって取得される仰角θａに等しい角度θｂ用の位相データを用いて、Ｎ個のフェーズシフタ１２０における位相のシフト量を制御する。

【0044】

メモリ１５６は、位置導出部１５１、仰角取得部１５２、制御部１５５が処理を行う際に実行するプログラム、プログラムの実行に伴い利用するデータ、プログラムの実行によって生じるデータ、及び、カメラ１４０が取得する画像データ等を格納する。また、メモリ１５６は、複数の対向距離ｒ_ＦＤの各々について複数セット分の位相データを格納する。一例として、３ｍ、４ｍ、・・・、７ｍの５種類の対向距離ｒ_ＦＤについて、仰角θａが＋７０度から－７０度までの範囲について１度刻みで１４１セットの位相データを格納する。

【0045】

次に、仰角θａを求める方法について説明する。

【0046】

仰角θａは、方位角φと仰角θを用いると、位置Ｐ１と位置Ｐ１ａの幾何学的関係から次式（１）で求めることができる。

【0047】

【数1】

式（１）を展開すると、式（２）が得られる。

【0048】

【数2】

ここで、仰角θが十分に小さい場合にはｔａｎθ≒θであり、方位角φが十分に小さい場合にはｃｏｓφ≒１であり、方位角φが90度に近い場合にはｃｏｓφ≒0であるので、式（２）は次式（３）に変形できる。

【0049】

【数3】

すなわち、受電装置５０Ｂの位置がＸＺ平面からあまりずれていない場合には、仰角θａは式（３）のように近似することができる。

【0050】

また、上述したように、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆ_Ｌとすると、動径ｒは次式（４）で表される。

【0051】

【数4】

式（３）、（４）より、仰角θａは次式（５）で表すことができる。

【0052】

【数5】

このように、式（５）を用いて、仰角θａを近似的に求めることができる。

【0053】

次に、位相データの求め方について説明する。図４は、位相データの求め方を説明する図である。図４には、カメラ１４０の魚眼レンズ１４１、マーカ５０Ａ、受電装置５０Ｂ、及びＮ個のアンテナ素子１１１を示す。各アンテナ素子１１１は、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａに含まれる４個のアンテナ素子１１１のうちの１個である。マーカ５０Ａの位置は、受電装置５０Ｂの位置と等しい。

【0054】

図４に示すように、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａからマーカ５０Ａまでの距離をｒ１～ｒＮとする。ここでは、説明を簡易化するためにＹ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれは無いものとする。４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心は、ＸＹＺ座標系の原点と一致しているため、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心の座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）である。また、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれは無く、対向距離はｒ_ＦＤであり、魚眼レンズ１４１から見た受電装置５０Ｂの角度はθｂであるため、受電装置５０Ｂの位置は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（ｒ_ＦＤ・ｔａｎθｂ，０，ｒ_ＦＤ）と表すことができる。ここで、魚眼レンズ１４１から受電装置５０Ｂまでの距離をｒ_ｒｅｆとすると、距離ｒ_ｒｅｆは次式（６）で表すことができる。

【0055】

【数6】

【0056】

Ｎ個のアンテナ素子１１１のうちのi番目のアンテナ素子１１１の位置を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（ｄ_ｉ，０，０）とすると、ｉ番目のアンテナ素子１１１から受電装置５０Ｂまでの距離ｒ_ｉは次式（７）で表すことができる。

【0057】

【数7】

【0058】

このため、魚眼レンズ１４１から受電装置５０Ｂまでの距離ｒ_ｒｅｆと、ｉ番目のアンテナ素子１１１から受電装置５０Ｂまでの距離ｒｉとの経路差τ_ｉは、次式（８）で表すことができる。

【0059】

【数8】

【0060】

経路差τ_iはメートル単位であるため、使用するマイクロ波の波長λに換算して位相差ψ_i を計算すると次式（９）で表すことができる。

【0061】

【数9】

【0062】

式（９）で表される位相差の符号を反転させた－ψr_FDi(θb)をｉ番目のアンテナ素子１１１が送電する際にフェーズシフタ１２０に設定する位相とし、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａについて複数の仰角θａに対応した複数セット分の位相データを準備して、メモリ１５６に格納すればよい。また、複数の対向距離ｒ_ＦＤについての複数セット分の位相データを準備して、メモリ１５６に格納すればよい。このような複数セット分の位相データを用いることにより、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから送電する送電信号を同一位相で受電装置５０Ｂに到達させることができる。複数の角度θｂに対応した複数セット分の位相データは、次式（１０）で表される。

【0063】

【数10】

【0064】

制御部１５５は、仰角θａに対応する角度θｂの位相データを用いて、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を設定すればよい。

【0065】

図５は、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の効果を説明する図である。図５には対向距離ｒ_ＦＤが４ｍ、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００を搭載した車両の速度が８０ｋｍ／ｈの場合に受電装置５０Ｂのアンテナが受電したアンテナ利得を示す図である。横軸は時間を表し、０秒は仰角θａが０度になる時刻を表し、－３００秒は仰角θａが＋７０度になる時刻を表し、＋３００秒は仰角θａが－７０度になる時刻を表す。すなわち、横軸の時間は仰角θａに相当する。

【0066】

また、図５には、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００で対向距離と仰角に基づく位相データを用いてフェーズシフタ１２０におけるシフト量を調整した場合のアンテナ利得を実線で示し、比較用に仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得を破線で示す。仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得は、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａに接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を仰角θａに応じた値に設定した場合に受電装置５０Ｂで得られるアンテナ利得である。

【0067】

図５に示すように、対向距離と仰角に基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得は、仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得よりも大きいか又は同等であり、０秒に近い時間帯ほど（仰角θａの絶対値が小さいほど）対向距離と仰角に基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得と、仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得との差が大きくなった。仰角θａが０度に近いほど、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａと受電装置５０Ｂとの距離が短くなり、対向距離と仰角に基づく位相データによるＮ個のサブアレイ１１０Ａの個別の位相制御の効果が顕著になったものと考えられる。

【0068】

以上のように、アレイアンテナ１１０のビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御する場合には、等距離射影によって得られた位置Ｐ１をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換して位置Ｐ２を求め、さらに位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆ_Ｌで除算することで、仰角θａ（＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆ_Ｌ）を求める。

【0069】

そして、制御部１５５が仰角θａに対応する角度θｂの位相データを用いて、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を設定すればよい。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の移動に伴う仰角θａの変化に応じた位相データを用いてＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を制御すれば、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が移動しながら、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０Ｂのアンテナに常に同一位相の送電信号を送電することができる。

【0070】

したがって、近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。

【0071】

また、複数セット分の位相データが複数の対向距離ｒ_ＦＤの分だけメモリ１５６に格納されており、距離推定部１５４が対向距離ｒ_ＦＤを推定するので、対向距離ｒ_ＦＤに応じた複数セット分の位相データを用いてＮ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を設定することができる。このため、受電装置５０ＢまでのＺ軸方向の距離に応じた複数セット分の位相データを用いることで、受電装置５０ＢまでのＺ軸方向の距離に応じて近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。なお、例えば、対向距離ｒ_ＦＤに応じた複数セット分の位相データが存在しない場合には、推定した対向距離ｒ_ＦＤに最も近い対向距離ｒ_ＦＤに応じた位相データを使用すればよい。

【0072】

また、位置ずれ検出部１５３がＹ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれを検出し、位置ずれが生じている場合は、距離推定部１５４がメモリ１５６からＹ軸方向における位置ずれに対してピクセルインデックス数が変化する度合を表すデータを読み出し、Ｙ軸方向の位置ずれの度合に応じて補正したピクセルインデックス数を用いて対向距離ｒ_ＦＤを推定する。このため、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じている場合には、制御部１５５は、補正されたピクセルインデックス数を用いて推定した対向距離ｒ_ＦＤに応じた複数セット分の位相データを用いることで、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていても受電装置５０ＢまでのＺ軸方向の距離に応じて近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。

【0073】

また、アンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００は、アレイアンテナ１１０が出力するビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御するため、仰角をＸＺ平面内とＹＺ平面内の両方で制御する場合に比べてフェーズシフタ１２０の数が４分の１で済む。このため、アンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を安価に実現することができる。

【0074】

なお、以上では、魚眼レンズ１４１の中心が４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心と一致している形態について説明した。しかしながら、魚眼レンズ１４１の中心は、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心からずれていてもよい。この場合には、位置ずれの分だけアレイアンテナ制御位相計算の座標原点をずらせばよい。あるいは、マーカ５０Ａと受電アンテナをその位置ずれ分だけ離して設置してもよい。

【0075】

また、以上では、制御装置１５０が位置ずれ検出部１５３を有する形態について説明したが、例えば、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じないことが分かっているような場合には、制御装置１５０が位置ずれ検出部１５３を含まずに、距離推定部１５４は位置ずれに対応した補正を行わなくてもよい。

【0076】

また、以上では、制御装置１５０が距離推定部１５４を有する形態について説明したが、例えば、対向距離ｒ_ＦＤが一定であることが分かっているような用途では、制御装置１５０は距離推定部１５４及び位置ずれ検出部１５３を含まずに、メモリ１５６に１種類の対向距離ｒＦＤに応じた複数セット分の位相データを格納しておけばよい。

【0077】

図６は、給電装置１００の適用例を示す図である。給電装置１００は、一例として車両に搭載されており、トンネルの内壁５１にはターゲットとしてのアンテナ２０が設けられている。アンテナ２０にはマーカ５０Ａと受電装置５０Ｂとが取り付けられている。マーカ５０Ａは、再帰性反射板又はミラーボール等である。トンネルの内壁５１と車両との間の距離は通過するトンネル毎に異なる。但し、同一トンネル内ではトンネルの内壁と車両との距離はほぼ一定とみなせる。

【0078】

車両が＋Ｘ方向に走行する際に、カメラ１４０でマーカ５０Ａの位置をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換し、さらにＸ軸に写像した写像位置（Ｐ２ａに相当する写像位置）のＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆ_Ｌで除算して仰角θａ（＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆ_Ｌ）を求めることができる。そして、仰角θａの変化に応じた位相データをメモリ１５６から読み出してＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を制御すれば、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が移動しながら、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０Ｂのアンテナ２０に常に同一位相の送電信号を送電することができる。同一位相の送電信号は、ビームとしてアンテナ２０に照射される。

【0079】

また、例えば、＃１のマーカ５０Ａの仰角θａがゼロ度（０度）のときに、カメラ１４０の魚眼レンズ１４１の中心からからマーカ５０Ａまでの対向距離を推定することができる。そして、＃２のマーカ５０Ａの受電装置５０Ｂのアンテナ２０に対して送電信号を送電するとき、対向距離と仰角に基づく位相データをメモリ１５６から読み出してＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を制御すれば、さらにアンテナ利得を向上させることができる。

【0080】

例えば、トンネルの内壁５１に取り付けてあるジェットファンや標識等のインフラ構造物を内壁５１に固定する固定部にアンテナ２０と、固定部のボルト等の緩みを監視するセンサと、レクテナと、無線通信モジュールとを設けておき、車両で走行しながら給電装置１００からアンテナ２０にビームを放射すると、アンテナ２０に接続されたレクテナが電力を発生して無線通信モジュールを起動し、無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を放射し、車両側で受信することにより、走行しながらインフラ構造物の固定状態を検査することができる。

【0081】

この場合に、アレイアンテナ１１０で無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を受信してもよい。

【0082】

また、ＸＺ平面からずれたアンテナ２０の位置からＸ軸に写像した写像位置（Ｐ２ａに相当する写像位置）のＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を求め、Ｘ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆ_Ｌで除算した値（ｒ・ｃｏｓφ／ｆ_Ｌ）を仰角θａとして使用してビームを制御するので、Ｘ軸方向に走行する車両がＹ軸のプラスマイナスのどちらかにシフトとしている場合でも、その位置ずれを吸収して仰角θａを求めることができる。

【0083】

また、ここでは図６を用いて給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）がトンネルの内壁５１に設けられた無線通信モジュールと通信する形態について説明したが、無線通信モジュールはトンネルの内壁５１に設けられているものに限らず、様々な場所等に設置されていてよい。このようにすれば、給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）を通信装置として利用することができる。

【0084】

以上、本発明の例示的な実施形態のアンテナ装置、給電装置、及び給電方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【符号の説明】

【0085】

１００ 給電装置
１１０ アレイアンテナ
１１０Ａ サブアレイ
１１１ アンテナ素子
１２０ フェーズシフタ
１３０ マイクロ波発生源
１４０ カメラ
１４１ 魚眼レンズ
１５０ 制御装置
１５１ 位置導出部
１５２ 仰角取得部
１５３ 位置ずれ検出部
１５４ 距離推定部
１５５ 制御部
１５６ メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】