JP2008263710A - 無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電アンテナの共振周波数と駆動周波数にずれが発生したとしても、常に駆動周波数を共振周波数に一致させるように制御を行うことができ、常時、共振周波数にて効率的に送電アンテナを駆動させること。
【解決手段】本発明の無線給電システム１は、受電アンテナ２１側に無線方式により電力を送信するための送電アンテナ４と、送電アンテナ４を駆動するためのクロック信号を生成する発振器９と、発振器８からのクロック信号に基づき送電アンテナ４を駆動する駆動回路７と、送電アンテナ４に駆動電圧を供給するための駆動電圧源８と、送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを求めるための共振用コンデンサ５の温度を検出する温度検出部６と、温度検出部６による検出結果に基づいて、送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを決定し、駆動周波数が前記共振周波数ｆｒに一致するように発振器９を制御する制御部１０とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電アンテナに電流を流して、発生する磁界により受電アンテナを通じて電力を供給する無線給電システムに係り、例えば、体外から無線によりカプセル内視鏡に給電する無線給電システムに関する。

近年、送電アンテナに電流を流し、発生する磁界により受電アンテナを通じて医療用小型機器に電力を供給する無線給電システムが注目されている。このような無線給電システムは、例えば、体外から無線によりカプセル内視鏡に給電する場合に特に有効である。
前記無線給電システムに用いられる、一次コイル（送電アンテナ）に電流を流し、発生する磁界により二次コイル（受電アンテナ）を通じて電力を供給する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された技術について図１０及び図１１を参照しながら説明する。

図１０は体外から無線給電方式にて体内の医療用小型機器であるカプセル内視鏡に電力を供給する場合のカプセル内視鏡システムの従来例を示す構成図であり、図１１は被験者の体外において、ＸＹＺの各軸方向に対してそれぞれ一次コイルが配置されている状態を示す説明図である。

図１０に示すように、一次コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂはヘルムホルツ型に構成されている。前記一次コイル１１２ａ、１１２ｂはＸ軸方向の一次コイルであり、前記一次コイル１１３ａ、１１３ｂはＹ軸方向の一次コイル、また、前記一次コイル１１１ａ、１１１ｂはＺ軸方向の一次コイルである。

医療用小型機器としてのカプセル内視鏡１００は被験者の体内に滞留され、このカプセル内視鏡１００の内部には、二次コイル１０１が配置されている。そして、前記カプセル内視鏡１００が動作するために必要な電力は、前記一次コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂ（１１１ａ〜１１３ｂと略記）からカプセル内視鏡１００の内部に搭載された二次コイル１０１を通して、カプセル内視鏡１００に供給される。

このようなカプセル内視鏡システムの具体的な構成を説明すると、図１０に示すように、前記複数の一次コイル１１１ａ〜１１３ｂの各一次コイルに対して、一次コイル共振用コンデンサ１２２、１２４、１２６を接続している。そして、これら一次コイル共振用コンデンサ１２２、１２４、１２６にそれぞれスイッチング回路１２１、１２３、１２５を接続し、これらスイッチング回路１２１、１２３、１２５には、直流電源１１５が接続されている。

このようなカプセル内視鏡システムにおいて、カプセル内視鏡１００に電力を供給する場合には、前記スイッチング回路１２１、１２３、１２５からの高周波電圧が一次コイル１１１ａ〜１１３ｂ及び共振用コンデンサ１２２、１２４、１２６の直列回路に印加され、直列共振回路を構成する各一次コイル１１１ａ〜１１３ｂの軸方向に平行な磁界が発生する。

また、各一次コイル１１１ａ〜１１３ｂには、それぞれエネルギー検出回路１２８、１３０、１３２が設けられ、これらエネルギー検出回路１２８、１３０、１３２の検出出力は、コンパレータ１３６に供給される構成となっている。このコンパレータ１３６からの出力は、スイッチング回路１２１、１２３、１２５と直流電源１１５との間にそれぞれ接続されるスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３に供給することで、これらスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン、オフが制御されるようになっている。

このような従来のカプセル内視鏡システムは、一次コイル１１１ａ〜１１３ｂとカプセル内視鏡１００の磁気的結合が強いほど一次コイル１１１ａ〜１１３ｂに流れる電流が多くなることを利用して、カプセル内視鏡１００に電力を供給する一次コイルを複数の一次コイル１１１ａ〜１１３ｂの中から選択するようにしている。

具体的な選択方法を説明すると、図１０に示すカプセル内視鏡システムは、一定時間、複数の一次コイル１１１ａ〜１１３ｂを同時に駆動する。この時、複数の一次コイル１１１ａ〜１１３ｂに設けられたエネルギー検出回路１２８、１３０、１３２は、一次コイル１１１ａ〜１１３ｂに流れる電流をそれぞれ検出する。つまり、一次コイルとカプセル内視鏡１００の磁気的結合が強いほど、一次コイルに多く電流が流れることを利用して、もっとも一次コイルとカプセル内視鏡１００の磁気的結合が強い一次コイルを複数の一次コイル１１１ａ〜１１３ｂから選択する。

すなわち、前記エネルギー検出回路１２８、１３０、１３２からの検出結果は、コンパレータ１３６に供給されており、コンパレータ１３６は、各エネルギー検出回路１２８、１３０、１３２の検出出力を比較し、エネルギー検出回路１２８、１３０、１３２の出力が最も大きい出力に対応する一次コイルのみ駆動し、他の一次コイルの駆動は停止するように前記スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン、オフを制御する。

このような制御を行うことにより、常に最大の電力（エネルギ）を供給可能な一次コイルのみから磁界を発生させる。この結果、送電電力ロス（エネルギロス）の大きい一次コイルからの磁界の発生は停止することになり、カプセル内視鏡１００に対して効率的な電力の供給が可能になる。また、各一次コイル１１１ａ〜１１３ｂからのエネルギー検出は、一定周期ごとに行うことにより、体内でのカプセル内視鏡１００の動きに対して追従して常に効率良い状態で電力の供給が可能となる。
特開２００４−１５９４５６号公報

ところで、前記したような従来の無線給電システムにおいて、通常の送電アンテナ（以下、一次コイルと共振用コンデンサを含んだものを送電アンテナとする。）の駆動方法を考えると、送電アンテナが図１０に示すようなコイルとコンデンサからなる直列共振回路を構成する場合には、送電アンテナの駆動周波数がこの直列共振回路の共振周波数と一致するとき、送電アンテナのインピーダンスは最も低くなる。そのため、送電アンテナの駆動電圧を一定とした場合には、送電アンテナの駆動電流をもっとも多く流すことができる。

しかしながら、周知のようにコンデンサ容量値には温度特性があり、コンデンサの素子温度とともに容量値が変化する。従って、コンデンサの温度が変化すると、コンデンサ等より構成される送電アンテナの共振周波数が変化することになり、当初の駆動周波数と共振周波数が一致していても、コンデンサの温度変化とともに共振周波数が変化し、徐々に駆動周波数と共振周波数がずれることになる。

そして、駆動周波数と共振周波数とがずれた場合には、送電アンテナのインピーダンスは高くなり、送電アンテナの駆動電流は流れにくくなる。そのような状態においては、カプセル内視鏡１００が動作するのに必要な電流を確保するためには、駆動電圧を高くしなければならない。また、送電アンテナと受電アンテナの位置関係などによっては、実効的な一次回路のコイルのインダクタンスＬ値が変化することも発生する。

以上のことから、直列共振回路を有する従来の無線給電システムでは、駆動周波数が共振周波数からずれるとインピーダンスは急激に高くなり、共振周波数からわずかにずれただけでも、駆動電圧を大幅に高くしないと必要な電流が得られなくなるので、カプセル内視鏡１００の給電効率が大幅に低下するといった問題点があった。

前記特許文献１に記載の従来技術では、前記問題点を解決するための具体的な構成要素は勿論、一次コイルの駆動方法における詳細な説明についても何等開示も示唆もない。

そこで、本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、送電アンテナの共振周波数と駆動周波数にずれが発生したとしても、常に駆動周波数を共振周波数に一致させるように制御を行い、常時、共振周波数にて効率的に送電アンテナを駆動させることを可能にする無線給電システムを提供することを目的とする。

本発明の無線給電システムは、無線方式により電力を受電する受電アンテナ側に無線方式により電力を送信するためのコイルと共振用コンデンサとを有する送電アンテナと、前記送電アンテナを駆動するためのクロック信号を生成する発振器と、前記発振器からのクロック信号に基づき前記送電アンテナを駆動する駆動回路と、前記駆動回路に接続され、前記送電アンテナに駆動電圧を供給するための駆動電圧源と、前記送電アンテナの共振周波数を求めるための前記送電アンテナの動作情報を検出する検出部と、前記検出部による検出結果に基づいて、前記送電アンテナの共振周波数を決定し、前記送電アンテナの駆動周波数が前記共振周波数に一致するように前記発振器を制御する制御部と、を有している。

本発明によれば、送電アンテナの共振周波数と駆動周波数にずれが発生したとしても、常に駆動周波数を共振周波数に一致させるように制御を行い、常時、共振周波数にて効率的に送電アンテナを駆動させることを可能にする無線給電システムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１から図５は本発明に係る無線給電システムの第１の実施の形態を示し、図１は第１の実施の形態の無線給電システムの全体構成を示すブロック図、図２は図１のカプセル内視鏡を患者の口から挿入する状態を示す説明図、図３は図１の共振用コンデンサの温度及び容量に基づく温度特性を示すグラフ、図４は送電アンテナの駆動周波数に基づくインピーダンス特性及び駆動電流特性を示すグラフ、図５は第１の実施の形態の動作を説明するもので図１の制御部による制御例を示すフローチャートである。

尚、後述する本発明に係る各実施の形態は、受電アンテナを有するカプセル内視鏡を備えたカプセル内視鏡システムに適用した場合について説明するが、それ以外の無線給電システムにも、勿論適用可能である。

図１に示すように、第１の実施の形態の無線給電システム１は、患者の体内に滞留されるカプセル状の医療用小型機器としてのカプセル内視鏡２と、この体内に滞留されたカプセル内視鏡２に体外から無線給電方式にて電力を供給するための無線給電装置３とを有して構成されている。

カプセル内視鏡２は、周知のように、図示はしないが撮像部、画像情報処理部、情報伝達部、電源部２Ａ（図１参照）等を有して構成され、体内の例えば消化器系臓器等の画像を取得する装置である。
尚、図１に示すカプセル内視鏡２は、本発明の構成要素に関わらない構成については不図示であり、概略構成について後述する。

カプセル内視鏡２の撮像部は、発光ダイオード等による照明系と、被写体像を撮像素子の受光面に結像させる撮像光学系と、イメージセンサ等の撮像素子と、この撮像素子を駆動又は制御するための回路等の撮像回路系とを有して構成されている。

画像情報処理部は、前記撮像素子から出力される電気信号（画像信号）を取り込み所定の信号処理を施すものである。
また、情報伝達部は、前記画像情報処理部で処理された信号を外部の表示装置等に向けて送信するための変調送信アンテナ部と送信アンテナとを有して構成されている。

そして、電源部２Ａは、前記撮像部、前記画像情報処理部及び前記情報伝達部に必要な電力を供給するためのもので、具体的な構成が図１に示されている。

図１に示すように、カプセル内視鏡２の電源部２Ａは、受電アンテナを構成する二次コイル２１、コア２２及び共振用コンデンサ２３と、整流回路２４とを有して構成されている。

このようなカプセル内視鏡２は、前記二次コイル２１と共振用コンデンサ２３とが並列に接続され、さらに、並列に接続された二次コイル２１及び共振用コンデンサ２３とが４つのダイオードＤ１〜Ｄ４からなる整流回路２４に接続されている。
尚、前記電源部の構成は一例であり、この限りではない。

このような構成により、二次コイル２１に誘起された交流電流が整流回路２４により直流に変換され、その直流電流がカプセル内視鏡２における電気的エネルギーとして利用される。共振用コンデンサ２３の容量値は、後述する送電アンテナ４の一次コイルの場合と同様に、二次コイル２１と共振用コンデンサ２３とで並列共振がなされるように設定される。このことにより、大きなエネルギーを効率良く取り出すことが可能である。

次に、無線給電装置３の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、無線給電装置３は、送電アンテナ４と、検出部を構成する温度検出部６と、駆動回路７と、駆動電圧源８と、発振器９と、コントローラ等の制御部１０とを有して構成されている。

送電アンテナ４は、前記カプセル内視鏡２に対して無線方式により電力を送信するための一次コイルを構成する送電コイル４ａ、４ｂと共振用コンデンサ５とを有している。

この送電アンテナ４は、送電コイル４ａ、４ｂと共振用コンデンサ５が接続されたＬＣ直列共振タイプの送電アンテナである。
また、この送電アンテナ４は、患者の体内に滞留しているカプセル内視鏡２が正常に動作するために、患者の体外に配置されるようになっている。具体的には、送電アンテナ４は、例えば、ヘルムホルツ型に構成されたもので、患者の体を挟み込むように送電コイル４ａと他方の送電コイル４ｂとが配置される。

尚、本実施の形態では、説明の簡略化のため、１つの送電アンテナ４を有する構成について説明するが、勿論、図１０の従来技術のような複数の送電アンテナ４を設けた構成の場合でも適用可能である。

前記送電アンテナ４には、駆動回路７が電気的に接続されている。この駆動回路７は、後述する発振器９からのクロック信号に基づき前記送電アンテナ４を駆動するものである。

この駆動回路７には、送電アンテナ４に駆動電圧を供給するための駆動電圧源８と、前記送電アンテナ４を駆動するためのクロック信号を生成する発振器９とが電気的に接続されている。

前記駆動電圧源８と前記発振器９には、無線給電システム１全体を制御可能なコントローラ等の制御部１０が電気的に接続されている。制御部１０は、前記駆動電圧源８と前記発振器９とを制御する。このことにより、送電アンテナ４は、発振器９からのクロック信号と駆動電圧源８から出力される電圧により、駆動回路７を介して駆動される。

また、制御部１０には、送電アンテナ４の共振周波数を求めるための送電アンテナ４の動作情報を検出する検出部としての温度検出部６が電気的に接続されている。

この温度検出部６は、共振用コンデンサ５に直接又は近傍に設けられたもので、前記送電アンテナ４の動作情報、具体的には共振用コンデンサ５の温度を検出し、検出結果を前記制御部１０に出力するようになっている。

制御部１０は、前記温度検出部６による検出結果に基づいて、前記送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを決定し、前記送電アンテナ４の駆動周波数が前記共振周波数ｆｒに一致するように前記発振器９を制御する。

ここで、制御部１０によって前記送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを決定するために、前記制御部１０には、共振用コンデンサ５の温度特性データを予め記憶した記憶部１１が設けられている。

すなわち、制御部１０は、前記温度検出部６により検出した共振用コンデンサ５の温度と、前記記憶部１１に記憶している共振用コンデンサ５の温度特性データとに基づいて共振用コンデンサ５の容量値Ｃを求め、この求めた共振用コンデンサ５の容量値Ｃから、前記送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを決定するようにしている。

尚、前記記憶部１１に予め記憶されている共振用コンデンサ５の温度特性データの一例が図３のグラフに示されている。図３中の横軸は温度Ｔ、縦軸は共振用コンデンサの容量Ｃを示している。

つまり、制御部１０は、温度検出部６からの共振用コンデンサ５の温度が供給されると、図３に示すような共振用コンデンサ５の温度特性データを用いて、共振用コンデンサ５の容量値Ｃを求める。
例えば、温度検出部６からの共振用コンデンサ５の温度が温度Ｔ１〜温度Ｔ２間の温度変化分ΔＴに相当する場合、図３の温度特性データから、共振用コンデンサ５の容量値Ｃ１〜容量値Ｃ２間の容量値変化分ΔＣを求めることができる。

尚、駆動回路７は、発振器９からのクロック信号に基づいて送電アンテナ４を駆動するようになっているが、簡略化のため、第１の実施の形態では、発振器９から出力されたクロック信号は、駆動回路７によって周波数変換されることなく、発振器９から出力された周波数にて送電アンテナ４を駆動させている。
従って、第１の実施の形態では、発振器９の発振周波数（クロック信号の周波数）と送電アンテナ４の駆動周波数とは一致するものとし、このため、制御部１０は、前記発振器９のクロック信号の発振制御を行っているため、送電アンテナ４の駆動周波数を認識することが可能である。

次に、制御部１０による送電アンテナ４の共振周波数ｆｒの算出方法について、図４を参照しながら説明する。
ここで、送電アンテナ４のインダクタンス成分（送電コイル４ａと送電コイル４ｂとを合わせたもの）をＬとし、共振用コンデンサ５の容量成分をＣとすると、送電アンテナ４の共振周波数ｆｒは以下の式により決定される。

ｆｒ＝１／２π√ＬＣ …（式１）
従って、制御部１０は、前記したように図３に示す温度特性データに基づき送電コイル４ａ、４ｂの容量成分Ｃ（容量値）が求められているので、前記（式１）より送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを算出して決定することができる。そして、制御部１０によって、この決定した送電アンテナ４の共振周波数ｆｒに発振器９の発振周波数を一致させるように制御すれば、送電アンテナ４を共振周波数ｆｒにて駆動することができる。

また、送電アンテナ４のインピーダンス特性について考慮すると、共振用コンデンサ５と送電コイル４ａ、４ｂとが直列接続されてＬＣ直列共振回路を構成している場合、送電アンテナ４のインピーダンス特性は、図４に示すように、共振周波数ｆｒのとき、インピーダンスΩが最小になる。

すなわち、インピーダンスΩが最小になるということは、送電アンテナ４の駆動電圧が一定の場合、駆動電流ＤＩは最大になることを意味する。従って、ＬＣ直列共振回路は、共振周波数ｆｒにて送電アンテナ４を駆動することができれば、低い駆動電圧で電流を多く流すことができ、効率的な駆動が可能となる。

次に、このような構成の無線給電システム１の作用について、図５を参照しながら説明する。
いま、図１に示す無線給電システム１の電源を投入して、起動させたとする。すると、無線給電システム１の制御部１０は、図示しない記憶部より図５に示すプログラムを読み出して実行する。

制御部１０は、前記駆動電圧源８の出力電圧と前記発振器９によるクロック信号を制御することにより、駆動回路７を介して送電アンテナ４を駆動させる。
この場合、駆動電圧源８の出力電圧は、カプセル内視鏡２が動作するのに必要十分な電流が送電アンテナ４に流れる電圧である。

そして、制御部１０は、ステップＳ１の処理で、温度検出部６により送電アンテナ４の共振用コンデンサ５の温度を検出し、検出結果を取り込む。

その後、制御部１０は、ステップＳ２の処理で、温度検出部６からの共振用コンデンサ５の温度と、図３に示すような共振用コンデンサ５の温度特性データとに基づいて、共振用コンデンサ５の容量値Ｃを求める。

そして、制御部１０は、この求めた共振用コンデンサの容量値Ｃを用いて、前記（式１）より送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを算出して決定する。

その後、制御部１０は、ステップＳ３の処理で、送電アンテナ４の駆動周波数を、決定した送電アンテナ４の共振周波数ｆｒに設定するように制御する。すなわち、制御部１０は、決定した送電アンテナ４の共振周波数ｆｒに発振器９の発振周波数を一致させるように発振器９を制御する。

以上の動作により、送電アンテナ４の共振周波数ｆｒに、発振器９から出力されるクロック信号の周波数、すなわち送電アンテナ４の駆動周波数を設定することができる。そして、送電アンテナ４は、駆動回路７によって共振周波数ｆｒにて駆動される。

そして、制御部１０は、ステップＳ４の処理で図示しないタイマ等によって一定時間を計測し、一定時間経過後、再度、前記ステップＳ１から前記ステップＳ４の処理を繰り返して、温度検出部６によって共振用コンデンサ５の温度を検出し、検出した温度を基に送電アンテナ４の共振周波数ｆｒを決定するように制御する。尚、前記ステップＳ４の処理は、必要でなければ行わなくても良い。

このことにより、送電アンテナ４の駆動や周囲の温度変化に伴い、共振用コンデンサ５の容量値Ｃが変化しても、共振周波数ｆｒにて送電アンテナ４を駆動することができる。また、共振用コンデンサ５の温度検出を一定周期又はリアルタイムにて行うことにより、共振用コンデンサ５の温度変化に対して、発振器９の発振周波数ｆｒを変更することにより常に送電アンテナ４を共振周波数ｆｒにて駆動することができる。

尚、共振用コンデンサ５の温度検出方法については、温度検出部６によって共振用コンデンサ５の温度を検出するように説明したが、特に限定されるものではなく、共振用コンデンサ５の温度検出が確実にできれば、いかなる方法を用いても本実施の形態に適用可能である。

また、本実施の形態では、送電アンテナ４の形態として、ヘルムホルツ型で構成した場合を説明したが、これに限定されるものではなく、一次コイル（送電コイル）とコンデンサとのＬＣ直列共振タイプの送電アンテナ４であれば、送電アンテナ４が単独であっても本実施の形態に適用可能である。

さらに、本実施の形態では、１つの送電アンテナ４を有する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、勿論、図１０の従来技術に示すように複数の送電アンテナ４を設けるとともに、これら複数の送電アンテナ４に応じた電流検出用抵抗器、エネルギー検出回路、スイッチング回路等を設け、制御部１０が図１０に示すコンパレータ１３６と同様な制御を行うように構成しても良い。
このことにより、常に最大の電力（エネルギ）を供給している送電アンテナ４のみから磁界を発生させると共に、送電力ロス（エネルギロス）の大きい送電アンテナ４からの磁界の発生は停止させるので、カプセル内視鏡２に対して効率的な電力の供給が可能になる。

従って、第１の実施の形態によれば、周囲温度の変化や駆動による共振用コンデンサの発熱によりコンデンサの温度が上昇しコンデンサ容量値が変化し、共振周波数と駆動周波数にずれが発生したとしても、常に駆動周波数を共振周波数に一致させるように制御を行うことができる。
このことにより、常時、共振周波数にて効率的に送電アンテナを駆動させることができるとともに、少ない送電電力にて効率良く受電アンテナに電力を送信することが可能となる。

（第２の実施の形態）
図６から図８は本発明に係る無線給電システムの第２の実施の形態を示し、図６は第２の実施の形態の無線給電システムの全体構成を示すブロック図、図７は第２の実施の形態の動作を説明するもので図６の制御部による制御例を示すフローチャート、図８は図７に示す制御部による制御例の変形例を示すフローチャートである。
尚、図６は前記第１の実施の形態と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

図６に示すように、第２の実施の形態の無線給電システム１Ａは、図１の前記第１の実施の形態の無線給電システム１と略同様に構成されるが、温度検出部６に替えて、検出部を構成する電流検出部１２を設けて構成している。

尚、第２の実施の形態では、前記第１の実施の形態と同様に、説明の簡略化のため、１つの送電アンテナ４を有する構成について説明するが、勿論、図１０の従来技術のような複数の送電アンテナ４を設けた構成の場合でも適用可能である。

電流検出部１２は、送電アンテナ４の動作情報である、送電アンテナ４に流れる電流を検出し、検出結果を制御部１０に出力する。

制御部１０は、駆動電圧源８を制御して送電アンテナ４の駆動電圧を一定にした後、送電アンテナ４の駆動周波数をスイープ走査し、スイープ走査中において、電流検出部１２からの検出結果に基づいて前記送電アンテナ４の駆動電流が最大となる周波数を検出し、この検出した周波数に前記送電アンテナ４の駆動周波数を一致させるように制御する。

ここで、共振用コンデンサ５と送電コイル４ａ、４ｂとが直列接続されたＬＣ直列共振回路の駆動周波数と、送電アンテナ４のインピーダンス特性について考慮すると、図４に示すように、ＬＣ直列共振回路では、駆動周波数ｆを徐々に変化させていくと、ある周波数ｆにて流れる駆動電流ＤＩが最大となる。

その後、更に周波数ｆを変化させていくと流れる駆動電流ＤＩは徐々に低下していく。つまり、駆動電流ＤＩが最大となる周波数が共振周波数ｆｒである。従って、送電アンテナ４の駆動電流を制御部１０によってモニタしながら、駆動電流ＤＩ値が最大となる駆動周波数ｆを検出すれば、共振周波数ｆｒを見つけることができる。
尚、制御部１０によるモニタリングは、電流検出部１２からの検出結果に基づいてスイープ走査することを意味している。このことにより、制御部１０は、駆動電流ＤＩ値が最大となる駆動周波数ｆ、すなわち、共振周波数ｆｒを検出することができる。

また、前記第１の実施の形態では、制御部１０内部に共振用コンデンサ５の温度特性データを記憶した記憶部１１を設けたが、第２の実施の形態では、温度特性データは不要であるため記憶部１１を必要としない。この場合、記憶部１１を残して温度特性データのみを削除しても良い。また、残した記憶部１１に他に必要なデータ等を記憶するようにしても良い。

その他の構成は、前記第１の実施の形態と同様である。

次に、このような構成の無線給電システム１Ａの作用について、図７を参照しながら説明する。
いま、図７に示す無線給電システム１Ａの電源を投入して、起動させたとする。すると、無線給電システム１Ａの制御部１０は、図示しない記憶部より図７に示すプログラムを読み出して実行する。

制御部１０は、前記駆動電圧源８の出力電圧と前記発振器９によるクロック信号を制御することにより、駆動回路７を介して送電アンテナ４を駆動させる。
この場合、駆動電圧源８の出力電圧は、カプセル内視鏡２が動作するのに必要十分な電流が送電アンテナ４に流れる電圧である。

そして、制御部１０は、ステップＳ１０の処理で、電流検出部１２により送電アンテナ４の駆動電流ＤＩを検出し、検出結果を取り込む。

その後、制御部１０は、ステップＳ１１の処理で、電流検出部１２からの共振用コンデンサ５の駆動電流ＤＩが最大値であるか否かの判定を行い、最大値でないものと判定した場合には処理をステップＳ１２に移行し、最大値であると判定した場合に処理をステップＳ１３に移行する。

すなわち、前記ステップＳ１１の判定処理は、送電アンテナ４の駆動周波数と共振周波数ｆｒとを一致させるために、駆動電流ＤＩが最大となる周波数ｆを見つけるためである。

ここで、制御部１０は、例えば、以下に示すような方法によって駆動電流ＤＩが最大となる周波数ｆを見つけて、駆動周波数と共振周波数ｆｒを一致させるように処理を行う。

制御部１０は、ステップＳ１２の処理で、送電アンテナ４の駆動開始時の周波数に対して、発振器９の発振周波数をΔｆだけシフトさせた後、ステップＳ１０に処理を戻してその時の送電アンテナ４に流れる駆動電流ＤＩを電流検出部１２を用いて検出する。

そして、制御部１０は、再度ステップＳ１１の判断処理で、検出した駆動電流ＤＩとΔｆだけシフトする前の駆動電流と比較する。
この場合、仮に発振周波数ｆをΔｆシフトする前の駆動電流ＤＩよりも検出した駆動電流ＤＩが大きい場合は、更に発振周波数ｆをΔｆだけシフトし、同様にΔｆだけシフトする前の駆動電流ＤＩと比較する。以降、制御部１０は、発振周波数ｆをΔｆずつシフトさせ、その都度、検出した駆動電流ＤＩと発振周波数ｆをΔｆシフトする前の駆動電流を比較していく。

その後、制御部１０は、駆動電流ＤＩが、図４に示すように、下降し始めるまで、発振周波数ｆをΔｆだけシフトしていけば、駆動電流ＤＩが最大となる周波数を見つけることができる（以下、本方法を山登り法と称す）。

逆に、仮に、発振周波数ｆをΔｆシフトする前の駆動電流ＤＩよりも検出した駆動電流ＤＩが小さい場合は、制御部１０は、発振器９の発振周波数を−Δｆだけシフトさせ、−Δｆだけシフトする前の駆動電流ＤＩと検出した駆動電流ＤＩとを比較する。

この場合、−Δｆだけシフトする前の駆動電流ＤＩよりも検出した駆動電流ＤＩの方が大きい場合は、制御部１０は、更に発振周波数ｆを−Δｆずつシフトさせていき、検出した駆動電流ＤＩが図４に示すように下降し始めるまで、発振周波数ｆを−Δｆずつシフトしていけば、駆動電流ＤＩが最大となる周波数ｆを見つけることができる。

以上のように、制御部１０は、駆動電流ＤＩが最大となる駆動周波数ｆを見つけるまで、ステップＳ１０からステップＳ１２の処理を行い、発振器９の発振周波数ｆのシフト制御を繰り返すように制御する。

こうして、制御部１０は、駆動電流ＤＩが最大となると、ステップＳ１１の判断処理によって処理をステップＳ１３に移行する。

すなわち、制御部１０は、駆動電流ＤＩが最大となる周波数ｆ、つまり共振周波数ｆｒを見つけると、ステップＳ１３の処理にて、この共振周波数ｆｒに駆動周波数を一致させるように発振器９の発振周波数を固定する。このことにより、送電アンテナ４を、前記第１の実施の形態と同様に共振周波数ｆｒにて駆動することができる。

尚、第２の実施の形態の制御部１０は、後述する図８の変形例に示すようなプログラムに基づいて制御しても良い。このような変形例を図８を参照しながら説明する。
図８の制御部によるフローチャートは、前記第２の実施の形態において、一定の時間が経過した場合に対応したものである。

すなわち、図８に示すように、図７に示すステップＳ１３の後段に、一定時間を計測する処理（一定時間をｔとすると、ｔ＝ｔ＋Δｔを計測する処理：ステップＳ１４）を設けることで、一定時間経過後に、処理を再びステップＳ１０に戻すようにしている。

従って、図８に示すように、制御部１０は、送電アンテナ４の駆動周波数を駆動電流ＤＩが最大となる周波数ｆに設定し、ステップＳ１４の処理で一定時間経過後に再び、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩを検出し（ステップＳ１０）、駆動周波数に対して駆動電流ＤＩが最大であるかどうか判断し（ステップＳ１１）、最大になっていなければ送電アンテナ４の駆動電流が最大となるように、ステップＳ１２を介してステップＳ１０〜ステップＳ１１、及びステップＳ１３により発振器９の発振周波数を再度設定し直すように制御する。

このように、制御部１０によって、送電アンテナ４の駆動電流の検出を連続的又は一定周期毎に行うことにより、送電アンテナ４の共振周波数ｆｒが変化しても、確実に駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒと一致するように追従させることが可能となり、効率的な送電アンテナ４の駆動が可能となる。

また、第１の実施の形態では、共振用コンデンサ５の容量値Ｃを温度特性データを用いて求めているため、使用している共振用コンデンサ５の温度特性と制御部１０が記憶部１１に保持している温度特性のデータが異なる場合（例えば、共振用コンデンサ５の個々の特性ばらつき等）、駆動周波数と共振周波数ｆｒがずれる可能性があるが、第２の実施の形態では、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩを検出し、駆動電流ＤＩが最大となる周波数ｆに発振器９の発振周波数を設定しているため、送電アンテナ４は常に共振周波数ｆｒにて駆動することが可能となる。また、第２の実施の形態は、送電コイル４ａ、４ｂのインダクタンスが変化した事態にも対応可能となる。

尚、第２の実施の形態では、送電アンテナ４の駆動電流の最大値を検出するのに、いわゆる山登り法を用いたが、必ずしも山登り法である必要はなく、他のアルゴリズムを用いても送電アンテナ４の駆動電流が最大となる駆動周波数ｆを確実に検出することができれば良い。

従って、第２の実施の形態によれば、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩを検出し、駆動電流ＤＩが最大となる周波数を見つけてこの周波数にて送電アンテナ４を駆動することにより、前記第１の実施の形態に比べて、確実に駆動周波数と共振周波数ｆｒを一致させることができる。

また、第１の実施の形態のように、制御部１０の記憶部１１内に予め共振用コンデンサ５毎に共振用コンデンサ５の温度特性データを保持する必要もなく、送電アンテナ４の駆動周波数を共振周波数ｆｒに一致させることができる。

さらに、第２の実施の形態では、コンデンサの容量値Ｃだけでなく、送電コイル４ａ、４ｂのインダクタンス成分がコイル形状の変化等により、変化しても対応可能であることは明らかである。

（第３の実施の形態）
図９は本発明に係る無線給電システムの第３の実施の形態を示し、第３の実施の形態の動作を説明するための図９の制御部による制御例を示すフローチャートである。

尚、図９は、前記第２の実施の形態における図７及び図８の処理内容と同様な処理内容については同一のステップＳ番号を付して、異なる処理内容について説明する。

また、第３の実施の形態の無線給電システムの構成は、前記第２の実施の形態の無線給電システム１Ａと略同様である。但し、制御部１０には、図示はしないが記憶部１１（図１参照）が設けられ、この記憶部１１には、送電アンテナ４の駆動電流の最適値のデータが予め記憶されるようになっている。

ここで、前記記憶部１１に記憶される駆動電流の最適値とは、カプセル内視鏡２が動作するのに必要、且つ十分な電力を供給できる送電アンテナ４の電流値のことであり、観察領域内においてどの位置にカプセル内視鏡２が移動しても、カプセル内視鏡２が動作可能となる電流値である。尚、この駆動電流の最適値は、カプセル内視鏡２の位置及び向きには依存しないものとして説明する。

次に、このような構成の無線給電システム１Ａの作用について、図９を参照しながら説明する。
いま、図７に示す無線給電システム１Ａの電源を投入して、起動させたとする。すると、無線給電システム１Ａの制御部１０は、図示しない記憶部より図９に示すプログラムを読み出して実行する。

そして、制御部１０は、前記第２の実施の形態と同様にステップＳ１０からステップＳ１３の処理で、例えば山登り法を用いて送電アンテナ４の駆動電流ＤＩが最大となる周波数である共振周波数ｆｒを検出し、送電アンテナ４の駆動周波数を共振周波数ｆｒに設定する。

その後、制御部１０は、送電アンテナ４の駆動周波数を共振周波数ｆｒに設定した後、送電アンテナ４の駆動周波数を共振周波数ｆｒに固定する。このことにより、送電アンテナ４は共振周波数ｆｒにて駆動することになる。

次に、第３の実施の形態では、制御部１０は、ステップＳ２０の処理で、電流検出部１２により送電アンテナ４の駆動電流ＤＩを検出し、検出結果を取り込む。

その後、制御部１０は、ステップＳ２１の判断処理で、電流検出部１２からの共振用コンデンサ５の駆動電流ＤＩと記憶部１１に記憶された最適値のデータとの比較を行う。
この場合、検出した駆動電流ＤＩが最適値を上回っていると判定した場合には、制御部１０は、ステップＳ２２の処理で、送電アンテナ４の駆動電圧源８の駆動電圧を下げるように制御し、逆に、検出した駆動電流ＤＩが最適値を下回っていると判定した場合には、駆動電圧源８の駆動電圧を上げるように制御して、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩが最適値になるように駆動電圧源８の駆動電圧を設定する。

ここで、制御部１０は、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩが最適値に設定した場合、すなわち、検出した駆動電流ＤＩが最適値と同じになったものと判定した場合には、ステップＳ２３の処理で、送電アンテナ４の駆動電圧を固定する。

その後、制御部１０は、ステップＳ２４の処理で、一定時間を計測（一定時間をｔとすると、ｔ＝ｔ＋Δｔ）し、一定時間経過後に、処理を再びステップＳ１０に戻す。すなわち、制御部１０は、一定時間経過後、再度、ステップＳ１０の処理で送電アンテナ４の駆動電流ＤＩを検出し、そしてステップＳ１１の判断処理で送電アンテナ４の駆動周波数と共振周波数ｆｒとが一致しているかどうかを判断する。

この場合、制御部１０は、駆動周波数と共振周波数ｆｒとがずれていた場合、再度、ステップＳ１２を介してステップＳ１０からステップＳ１３の処理を行うことで、駆動周波数を共振周波数ｆｒに設定し直すように制御する。

その後、制御部１０は、駆動周波数を共振周波数ｆｒに設定後、前記同様にステップＳ２１からステップＳ２２の処理を繰り返すことにより、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩが最適値になるように駆動電圧源８の出力電圧を調整し、そして、ステップＳ２３及びステップＳ２４を介してステップＳ１０の処理に戻るように制御する。

以上のように、駆動周波数を共振周波数ｆｒに一致させ、更に送電アンテナ４の駆動電圧を駆動電流ＤＩが最適値になるように設定することにより、必要以上に大きな駆動電力にて送電アンテナ４を駆動することがなくなり、より効率的にカプセル内視鏡２に対して電力を給電することができる。

尚、第１の実施の形態の方式で常に共振周波数ｆｒで駆動するように制御する場合でも、第２の実施の形態と同様、送電アンテナ系に電流検出部１２を組み込み、更に制御部１０内の記憶部１１に駆動電流の最適値のデータを保持することで、第３の実施の形態と同様の最適電流値による送電アンテナ４の駆動が可能になる。この場合は、電流検出部１２は駆動電流ＤＩの最適値の設定のみに使用される。

従って、第３の実施の形態によれば、送電アンテナ４の駆動周波数を確実に共振周波数ｆｒに一致させることに加え、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩが最適値になるように送電アンテナ４の駆動電圧を設定することにより、必要以上に大きな駆動電力にて駆動することがなくなり、効率的にカプセル内視鏡２に対して給電することが可能となる。
また、駆動周波数と共振周波数ｆｒが一致した際に、送電アンテナ４の駆動電流ＤＩが大幅に増加し、送電アンテナ４に大電流が流れることを防ぐことができる。

本発明は、以上述べた第１から第３の実施の形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明に係る第１の実施の形態の無線給電システムの全体構成を示すブロック図。 図１のカプセル内視鏡を患者の口から挿入する状態を示す説明図。 図１の共振用コンデンサの温度及び容量に基づく温度特性を示すグラフ。 送電アンテナの駆動周波数に基づくインピーダンス及び駆動電流特性を示すグラフ。 第１の実施の形態の動作を説明するもので図１の制御部による制御例を示すフローチャート。 本発明に係る第２の実施の形態の無線給電システムの全体構成を示すブロック図。 第２の実施の形態の動作を説明するもので図６の制御部による制御例を示すフローチャート。 図７に示す制御部による制御例の変形例を示すフローチャート。 本発明に係る第３の実施の形態の無線給電装システムの動作を説明するための図９の制御部による制御例を示すフローチャート。 従来の無線給電システムの構成を示すブロック図。 従来の無線給電システムにおける一次コイルの配置状態を示す説明図。

符号の説明

１、１Ａ…無線給電システム、
２…カプセル内視鏡、
２Ａ…電源部、
３…無線給電装置、
４…送電アンテナ、
４ａ、４ｂ…送電コイル、
５…共振用コンデンサ、
６…温度検出部、
７…駆動回路、
８…駆動電圧源、
９…発振器、
１０…制御部、
１１…記憶部、
１２…電流検出部、
２１…二次コイル、
２２…芯、
２３…共振用コンデンサ、
２３…二次コイル、
２４…整流回路、
ｆｒ…共振周波数。

Claims (7)

1. 無線方式により電力を受電する受電アンテナ側に無線方式により電力を送信するためのコイルと共振用コンデンサとを有する送電アンテナと、
   前記送電アンテナを駆動するためのクロック信号を生成する発振器と、
   前記発振器からのクロック信号に基づき前記送電アンテナを駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路に接続され、前記送電アンテナに駆動電圧を供給するための駆動電圧源と、
   前記送電アンテナの共振周波数を求めるための前記送電アンテナの動作情報を検出する検出部と、
   前記検出部による検出結果に基づいて、前記送電アンテナの共振周波数を決定し、前記送電アンテナの駆動周波数が前記共振周波数に一致するように前記発振器を制御する制御部と、
   を具備したことを特徴とする無線給電システム。
2. 前記検出部は、前記共振用コンデンサの温度を検出する温度検出部であることを特徴とする請求項１に記載の無線給電システム。
3. 前記制御部は、前記共振用コンデンサの温度特性データを記憶した記憶部を有し、前記温度検出部により検出した前記共振用コンデンサの温度と、前記記憶部に記憶している前記共振用コンデンサの温度特性データとに基づいて前記共振用コンデンサの容量値を求め、この求めた共振用コンデンサの容量値から、前記送電アンテナの共振周波数を決定し、決定した共振周波数に前記送電アンテナの駆動周波数を一致させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の無線給電システム。
4. 前記検出部は、前記送電アンテナの駆動電流を検出する駆動電流検出部であることを特徴とする請求項１に記載の無線給電システム。
5. 前記制御部は、前記駆動電圧源を制御して前記送電アンテナの駆動電圧を一定にした後、前記送電アンテナの駆動周波数をスイープ走査し、スイープ走査中において、前記駆動電流検出結果に基づいて前記送電アンテナの駆動電流が最大となる周波数を検出し、この検出した周波数に前記送電アンテナの駆動周波数を一致させるように制御することを特徴とする請求項４に記載の無線給電システム。
6. 前記制御部は、前記送電アンテナの駆動電流が最大となる周波数及び前記共振周波数に駆動周波数を一致させた後、前記送電アンテナの駆動電流を、前記受電アンテナを含むシステムが動作するのに必要かつ十分な電流値に設定することを特徴とする請求項３又は請求項５に記載の無線給電システム。
7. 前記受電アンテナは、カプセル内視鏡に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１つに記載の無線給電システム。

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