JP2008283789A - 無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電アンテナと受電アンテナとの位置関係による影響を低減し、より効率の高い電力伝送を行うことを可能とする。
【解決手段】位置・向き検出部２００により、受電アンテナ２１０の位置及び向きを検出し、検出した位置・向き情報を、送電装置１０の制御部１２０へ伝達する。制御部１２０は、受電アンテナ２１０の位置・向きで発生・受信する磁界強度が最適化されるように、送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流す電流の大きさ・位相・周波数等の制御目標値を決定し、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂを介して、制御目標値と等しい電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れるよう制御する。これにより、受電アンテナに対する常に効率の良い電力供給が実現可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電アンテナから受電アンテナに無線で電力を伝送する無線給電システムに関する。

近年、送電アンテナ（一次コイル）から受電アンテナ（二次コイル）に、磁界により遠隔的に電力を伝送する技術が開発され、有線での電力供給が困難な各種機器への無線給電システムとして適用されている。

このような無線給電システムの適用例は、例えば、特許文献１（特開２００４−１５９４５６号公報）に開示されている。この従来技術は、体外からの無線給電方式にて、体内の医療用小型機器に電力を供給する無線給電システムへの適用例であり、患者の体内に存在する医療用小型機器に体外から磁界を印加し、医療用小型機器内に受電アンテナを設けて、電力を伝送する技術を提案している。

図８に、特許文献１に開示の従来技術の構成例を示す。この構成例では、３組のヘルムホルツ構造の送電コイル対（送電コイル対１１ａ，１１ｂ、送電コイル１２ａ，１２ｂ、送電コイル１３ａ，１３ｂ）と、この３組の送電コイル対に対して所定の周期で変化する電圧を供給するスイッチング回路２１，２３，２５と、スイッチング回路２１，２３，２５に電力を供給するための電源装置１５とを備えている。また、送電コイル対は、構成する対となる２つの送電コイル間の距離が、送電コイルの直径と等しくなるように設計されている。

図９に、以上の従来技術における３組の送電コイル対を身体の周囲に配置した概略図を示す。図９は、３次元空間において、Ｚ方向の送電コイル対１１ａ，１１ｂ、Ｘ方向の送電コイル対１２ａ，１２ｂ、Ｙ方向の送電コイル対１３ａ，１３ｂが配置されていることを示している。

図８に示すように、送電コイル対１１ａ，１１ｂの各送電コイルは直列に接続されているので、送電コイル１１ａと送電コイル１１ｂには同一の電流が流れる。同様に、送電コイル対１２ａ，１２ｂ、送電コイル対１３ａ，１３ｂも対となる送電コイルがそれぞれ直列に接続されている。従って、送電コイル１２ａと送電コイル１２ｂには同一の電流が流れ、送電コイル１３ａと送電コイル１３ｂには同一の電流が流れる。

そして、３組の送電コイル対１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂから発生する磁界により、医療用小型機器１００に備えられた受電コイル１０１に電気的エネルギーを誘起させるように構成されている。
特開２００４−１５９４５６号公報

特許文献１（特開２００４−１５９４５６号公報）に開示の技術においては、送電コイルに対する受電コイルの位置によっては、電力伝送効率が低下する虞がある。

例えば、受電コイル１０１が、送電コイル１１ａと送電コイル１１ｂの巻線の巻き軸上にあり、送電コイル１１ａと送電コイル１１ｂとからほぼ等しい距離にある場合、受電コイル１０１は、それぞれの送電コイル１１ａ，１１ｂから発生する磁界をほぼ等しく受けることができる。しかし、受電コイル１０１が、送電コイル１１ａと送電コイル１１ｂの巻線の巻き軸上で、送電コイル１１ａ又は送電コイル１１ｂのどちらか一方、例えば送電コイル１１ａに近接している場合には、受電コイル１０１は近接している送電コイル１１ａから発生する磁界を受けることができるが、もう一方の遠隔にある送電コイル１１ｂから発生する磁界は殆ど受けることができなくなる。

つまり、送電コイル１１ａ，１１ｂに印加した電流のうち、送電コイル１１ｂに印加した電流が無駄になることになり、電力伝送効率が悪くなるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、送電アンテナと受電アンテナとの位置関係による影響を低減し、より効率の高い電力伝送を行うことが可能な無線給電システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による無線給電システムは、無線方式により送電アンテナから受電アンテナに電力を伝送する無線給電システムにおいて、前記受電アンテナの配置状態に係る情報を検出する検出部と、前記送電アンテナの複数の送電コイルを個別に駆動する複数の駆動部と、少なくとも前記受電アンテナの配置状態に係る情報に基づいて、前記駆動部を介して前記送電コイルに流れる電流を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、送電アンテナと受電アンテナとの位置関係による影響を低減し、より効率の高い電力伝送を行うことが可能となる。

本発明の無線給電システムは、送電側の装置に備えられた複数の送電アンテナから受電側の装置に備えられた受電アンテナに、無線（ワイヤレス）で電力を伝送するシステムである。以下に説明する各実施の形態においては、受電側の装置として、被験者の体内の画像を取得する主として医療用の小型機器であるカプセル内視鏡を例に取って説明するが、本発明は、受電側装置としてカプセル内視鏡以外にも適用可能であることは勿論である。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形態］
図１〜図３は本発明の実施の第１形態に係り、図１は無線給電システムの構成図、図２は制御の流れを示すフローチャート、図３は送電アンテナ及び受電アンテナの配置を示す説明図である。

図１に示す無線給電システムは、電力を無線送電する側の送電装置１０と、受電側のカプセル内視鏡２０とにより構成されている。カプセル内視鏡２０は、本形態においては、被験者の体内に経口挿入される医療用小型機器であり、被験者の体内で外部の送電装置１０から伝送される電力を受電して作動電力を確保し、体内の消化器系臓器等の画像を撮像して外部に送信する。

先ず、送電装置１０の構成について説明する。送電装置１０は、電流を流すことにより交番磁界を発生する送電アンテナとしての２つの送電コイル１５２ａ，１５２ｂと、この送電コイル１５２ａ，１５２ｂにそれぞれ電流を印加するための駆動回路部１５０ａ，１５０ｂと、送電コイル１５２ａ，１５２ｂに印加する電流の大きさ・位相・周波数を決定し、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂを制御する制御部１２０と、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ及び制御部１２０に電力を供給するための電源１１０とを備えて構成されている。２つの送電コイル１５２ａ，１５２ｂは、それぞれの巻線の巻き軸が一致するように配置され、送電コイル対１５１を構成している。

制御部１２０は、送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流す電流を、後述するカプセル内視鏡２０の受電アンテナ２１０の配置状態に係る情報により算出し、これを制御目標値とする。この制御目標値に基づき、制御部１２０は、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂを制御するための制御信号を生成し、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂに伝達する。

駆動回路部１５０ａ，１５０ｂは、制御部１２０から伝達された制御信号に基づいて制御され、送電コイル１５２ａ，１５２ｂをそれぞれ駆動する。２つの送電コイル１５２ａ，１５２ｂは、一方の送電コイル１５２ａが駆動回路部１５０ａに接続され、他方の送電コイル１５２ｂは駆動回路部１５０ｂに接続されており、それぞれ対応する駆動回路部１５０ａ，１５０ｂから制御信号に基づいた電流が印加される。

また、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂは、内部機能として、対応する送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れる電流を測定する電流測定回路と、測定した値から電流制御のためのフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成回路と、生成したフィードバック信号を制御部１２０に伝達するフィードバック回路とを備えている。

尚、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂには、送電コイルに効率良く電流を印加するための調整可能な力率補償回路やインピーダンス整合回路等を備えるようにしても良い。

次に、送電装置１０で発生した交番磁界から電力を得る受電装置となるカプセル内視鏡２０の構成について説明する。カプセル内視鏡２０は、受電アンテナ２１０と、受電回路部２２０と、機器部２３０とを基本構成として備えている。

受電アンテナ２１０は、送電コイル１５２ａ，１５２ｂで発生した交番磁界から、交流電流を取り出す。この受電アンテナ２１０は、受電効率を高めるために透磁率の高い強磁性体をコアとして備えることが望ましい。

受電回路部２２０は、取り出した交流電流を機器部２３０に適した電力に変換する。例えば、機器部２３０が直流電流を必要とする場合、受電回路部２２０は、整流回路、平滑回路等で構成され、機器部２３０に直流電流を供給する。

尚、受電回路部２２０は、機器部２３０により適した電力を供給するため、受電アンテナ２１０と同調を取るためのコンデンサ、受電利得を向上するためのインピーダンス整合回路、得られた電力の電圧を変換するための電圧変換回路、得られた交流電力を直流に変換するための整流回路、整流された電力を平滑するためのコンデンサ、電力を蓄えるための二次電池もしくは電気２重層コンデンサ等の大容量コンデンサ、電力を蓄える素子の充電を制御するための充電回路、機器に対して供給する電力を制限するための電力制限回路等を備えることが望ましい。

機器部２３０は、カプセル内視鏡としての主機能部に相当し、撮像部、画像処理部、情報伝達部等を備え、受電回路部２２０で変換された電力により動作する。

撮像部は、被写体を照明するための発光ダイオード等による照明系、被写体像を撮像素子の受光面に結像させるための撮像光学系、ＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子及びこの撮像素子を駆動・制御するための回路等からなる撮像系を備えて構成されている。

また、画像処理部は、撮像素子から出力される電気信号（画像信号）を受けて所定の信号処理を施すものであり、この画像処理部で処理された信号は、情報伝達部から外部に送信される。情報伝達部は、画像処理部で処理された信号を外部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備えて構成されている。

尚、カプセル内視鏡２０の情報伝達部から送信された信号は、被験者の体外に配置された体外ユニット（図示せず）等で受信され、カプセル内視鏡２０で撮像した画像情報が記憶・蓄積される。この体外ユニットに記憶・蓄積された画像は、モニタ等に表示されて観察することができる。

以上の送電装置１０もしくはカプセル内視鏡２０の少なくともどちらか一方には、受電アンテナ２１０の配置状態を、位置及び向きとして検出する位置・向き検出部２００が設けられている。本形態においては、カプセル内視鏡２０内の受電アンテナ２１０が指向性を有することを考慮し、位置・向き検出部２００は、受電アンテナ２１０の配置状態を位置及び向きとして検出し、検出した位置・向き情報を制御部１２０に伝達する。

受電アンテナの位置及び向きを検出する技術としては、例えば、特開２００５−３０４６３８号公報に開示の技術を適用することができる。この技術では、励磁用コイルと検出用コイルとを備え、励磁用コイルによってカプセル内視鏡内に設けた共振回路から磁界を発生させ、この磁界を検出用コイルで検出することで、カプセル内視鏡の位置及び向きを検出するようにしており、これによりカプセル内視鏡内の受電アンテナの位置及び向きを知ることができる。

尚、受電アンテナの位置・向きを検出する技術については、上述した技術に限定するものではなく、いかなる検出手段及び方法を用いても良い。また、カプセル内視鏡の受電アンテナが指向性を有しない場合には、位置のみを検出すれば良く、例えば、カプセル内視鏡から発信される信号の受信強度に基づいて位置を特定することができる。

次に、以上の構成による無線給電システムの動作について、図２のフローチャートを用いて具体的な制御例で説明する。

先ず、最初のステップＳ１１の処理として、送電装置１０もしくはカプセル内視鏡２０の少なくともどちらか一方に備えられた位置・向き検出部２００により、受電アンテナ２１０の位置及び向きを検出し、検出した位置・向き情報を、送電装置１０の制御部１２０へ伝達する。

次に、ステップＳ１２の処理として、制御部１２０は、受電アンテナ２１０の位置・向きが変化したかどうかを判断する。受電アンテナ２１０の位置或いは向きが変化した場合（Ｙｅｓの場合）、制御部１２０は、変化した後の受電アンテナ２１０の位置・向きで発生・受信する磁界強度が最適化されるように、送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流す電流の大きさ・位相・周波数等の制御目標値を変更・決定する処理を行う。

一例として、図３に示すように、受電アンテナ２１０の位置が送電コイル１５２ａ，１５２ｂの巻き軸上にある場合を考える。２つの送電コイル１５２ａ，１５２ｂのインピーダンスが等しいとすると、送電コイル１５２ａ及び送電コイル１５２ｂの双方に電流Ｉを流した場合と、送電コイル１５２ａのみに電流２^1/2Ｉを流した場合とでは、互いに消費される電力が等しくなる。

ここで、図３に示すように、送電コイル１５２ａ，１５２ｂによる送電コイル対１５１は、ヘルムホルツ型送電アンテナを構成しており、円形の送電コイル１５２ａ，１５２ｂの半径が共にｒ、コイルの巻き数がｎ回、送電コイル１５２ａと送電コイル１５２ｂとの間の距離が２ｒ（送電コイルの直径）であるとする。

このとき、送電コイル対１５１を構成する送電コイル１５２ａと送電コイル１５２ｂとに同一の電流Ｉを印加する場合を考える。送電コイル対１５１の巻き軸上で２つの送電コイル１５２ａ，１５２ｂから等しい距離にある点を中心とすると、中心から送電コイル１５２ａの方向に距離ｄだけ離れた巻き軸上の位置における磁界Ｈ151の大きさは、ビオ・サバールの法則より、次の（１）式で表すことができる。
Ｈ151＝ｒ²ｎＩ／２{ｒ²＋(ｒ−ｄ)²}^3/2＋ｒ²ｎＩ／２{ｒ²＋(ｒ＋ｄ)²}^3/2 …（１）

他方、上述と同じ消費電力であり、送電コイル１５２ａのみに電流Ｉを印加したときには、中心から送電コイル１５２ａの方向に距離ｄだけ離れた巻き軸上の位置における磁界Ｈ152aの大きさは、同様に、ビオ・サバールの法則より、次の（２）式で表すことができる。
Ｈ152a＝ｒ²ｎ(２^1/2Ｉ)／[２{ｒ²＋(ｒ−ｄ)²}^3/2] …（２）

これらの状態では、磁界Ｈ151と磁界Ｈ152aは、中心からの距離ｄがおよそ０．３ｒのときに等しくなることが、（１）式と（２）式とを基にした計算から算出される。以下、この中心から０．３ｒの距離を閾距離と記載する。つまり、送電コイル対１５１の中心点付近では、磁界Ｈ151の方が磁界Ｈ152aより大きく、他方、中心からの距離ｄが閾距離０．３ｒよりも大きい場合には、磁界Ｈ152aの方が磁界Ｈ151よりも大きくなる。また、送電コイル対１５１が発生する磁界と送電コイル１５２ｂが発生する磁界とについても、同様の関係を導くことができる。

以上のことから、受電アンテナ２１０が送電コイル対１５１の巻き軸上にある場合で、送電コイル対１５１の中心からの距離ｄが閾距離０．３ｒよりも小さい範囲内にある場合は、送電コイル１５２ａ，１５２ｂの双方を動作させ、中心からの距離ｄが閾距離０．３ｒ以上の場合には、最寄りの送電コイルを同一電力で動作させれば、常に送電コイル１５２ａ，１５２ｂを同電流動作させる駆動・制御方式に比べ、電力伝送効率が改善されることがわかる。

このような一例に倣う原理に基づき、制御部１２０は、受電アンテナ２１０の位置に応じて、駆動する送電コイルを決定すると共に、駆動する送電コイルに流す電流を決定し、これを制御目標値とする（ステップＳ１３）。

続いて、制御部１２０は、決定した制御目標値に基づいて制御信号を生成し（ステップＳ１４）、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂに制御信号を伝達する。制御信号を受けた駆動回路部１５０ａ，１５０ｂは、対応する送電コイル１５２ａ，１５２ｂに制御信号に基づいた電流を印加する（ステップＳ１５）。尚、制御信号は、送電コイルに流す電流を０として制御する場合も含むものとする（制御目標値も電流値が０の場合を含む）。

例えば、受電アンテナ２１０の位置が送電コイル対１５１の中心から閾距離０．３ｒの範囲外であり、送電コイル１５２ａに近い位置にある場合、送電コイル１５２ａに電流が印加される一方、送電コイル１５２ｂには電流が印加されないような制御が行われる。

また、受電アンテナ２１０の位置が送電コイル対１５１の中心から閾距離０．３ｒの範囲内にある場合には、送電コイル１５２ａ，１５２ｂとの双方が駆動対象として決定され、電流が印加される。この場合には、それぞれの送電コイル１５２ａ，１５２ｂの駆動周波数及び駆動電流が等しくなるように制御される。

次に、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂは、対応する送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れる電流を測定し（ステップＳ１６）、測定した電流値からフィードバック信号を生成し、制御部１２０へ伝達する（ステップＳ１７）。

制御部１２０は、フィードバック信号に基づき、制御目標値に一致する電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れているか否かを判断する（ステップＳ１８）。送電コイルの電流が制御目標値に一致しない場合には、制御目標値に対する誤差に基づいて、再度、制御信号を生成し（ステップＳ１９）、ステップＳ１５の処理に戻る。以降、この手順を繰り返し、制御目標値と等しい電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れるように制御する。また、送電コイルの電流が制御目標値に一致した場合には、最初のステップＳ１１に戻り、以上の流れを繰り返す。

このような制御・駆動を所望の時間間隔で繰り返し実施することにより、受電アンテナに対する常に効率の良い電力供給が実現可能となる。

尚、以上の説明では、送電コイル１５２ａ，１５２ｂの両方のコイルに電流を流す場合、それぞれの送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流す電流が等しくなるように設定したが、受電アンテナ２１０の位置及び向きに応じて、送電コイルに印加する電流比を任意の電流比になるように設定するようしても良く、これにより、より柔軟で電力伝送効率の高い無線給電が可能となる。

また、本形態のシステム構成例では、電源１１０は、送電装置１０内に１つのみ設けているが、複数設けても良い。例えば、制御部１２０に電源を供給する電源と、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂに電源を供給する電源とをそれぞれ別の電源として用意しても良いし、複数の駆動回路毎に電源を備えても良い。

以上のように、本形態では、受電アンテナの位置・向きに応じて各送電コイルに流れる電流を制御することで、従来よりも送電効率の良い無線給電システムを構成することが可能となる。

［第２形態］
次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図４及び図５は本発明の実施の第２形態に係り、図４は無線給電システムの構成図、図５は制御の流れを示すフローチャートである。

第２形態は、受電装置側で実際に受電する電力を測定し、この受電電力の測定結果に基づいて、送電コイルに印加する電流を制御するものである。

図４に示すように、第２形態の無線給電システムは、第１形態に対して、受電装置となるカプセル内視鏡２０の一部を変更している。第２形態のカプセル内視鏡２０Ａは、受電アンテナ２１０と受電回路部２２１と機器部２３０とを備えて構成されている。受電回路部２２１は、第１形態の受電回路部２２０（図１参照）に、受電電力測定回路２４０を付加したものである。

受電電力測定回路２４０は、受電回路部２２１が受信した電力のうち、少なくとも電圧・電流の何れか１つを受電電力として測定する回路である。受電回路部２２１に接続されている機器部２３０が定電流負荷となる場合には、電圧を測定すれば受電電力を求めることが可能となる。他方、受電回路部２２１に接続されている機器部２３０が定電圧負荷の場合は、電流を測定すれば受電電力を求めることが可能となる。また、機器部２３０の負荷が一定でない場合は、電圧と電流との双方を測定することで、受電電力を求めることができる。

受電電力測定回路２４０が測定した受電電力の値は、送電装置１０の制御部１２０へ無線伝送される。この伝送方式としては、受電電力測定回路２４０に伝送部を設け、この伝送部から制御部１２０へ受電電力の測定値を伝送する方式、或いは、受電電力測定回路２４０が測定した受電電力を受電電力測定回路２４０から機器部２３０に伝達し、機器部２３０が受電電力の測定値を制御部１２０へ伝送する方式等を採用することができるが、特定の方式に制限されるものではない。

その他の構成は第１形態と同様であり、第１形態と同じ構成要素については、同じ符号を付して、その説明を省略する。

以下、第２形態における制御例について、図５のフローチャートを用いて説明する。

制御を開始した当初、送電装置１０からカプセル内視鏡２０Ａに電力が送電されている状態において、カプセル内視鏡２０Ａ側では、受電電力測定回路２４０で受電電力を測定し、送電装置１０の制御部１２０に伝送する（ステップＳ２１）。

制御部１２０は、受電電力測定回路２４０が測定した受電電力の値が所望の値であるか判断する（ステップＳ２２）。受電電力の値が所望の値であれば、送電コイルに流れる電流が適正であるため、制御部１２０は、制御目標値の変更は行わず、再度、受電電力の測定値を受信する。

一方、受電電力の値が所望の値でない場合、制御部１２０は、送電装置１０もしくはカプセル内視鏡２０の何れか一方に設けられる位置・向き検出部２００で検出した受電アンテナ２１０の位置・向きを調べ、位置・向きに変化がないかを確認する（ステップＳ２３，Ｓ２４）。

受電アンテナ２１０の位置・向きに変化があった場合（Ｙｅｓの場合）は、電流を印加する送電コイルの決定と送電コイルに印加する電流の決定とを改めて行う（ステップＳ２５）。従って、ここでは、制御目標値が新たに決定される。

一方、受電アンテナ２１０の位置・向きに変化がなかった場合（Ｎｏの場合）は、制御部１２０は、送電コイルに印加する電流が不適当であったと判断する。従って、電流を印加する送電コイルの変更は行わず、印加する電流を変更して適正となるように制御目標値を決定する（ステップＳ２６）。

制御目標値を決定した後、制御部１２０は、制御目標値から制御信号を生成し（ステップＳ２７）、駆動回部部１５０ａ，１５０ｂに伝達する。制御信号を受けた駆動回路部１５０ａ，１５０ｂは、対応する送電コイルに電流を印加する（ステップＳ２８）。

次に、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂは、対応する送電コイルに流れる電流を測定し（ステップＳ２９）、フィードバック信号を生成して制御部１２０へ送信する（ステップＳ３０）。制御部１２０は、制御目標値どおりの電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れているかを判断する（ステップＳ３１）。

送電コイルの電流が制御目標値に一致しない場合には、制御目標値に対する誤差に基づいて、再度、制御信号を生成して駆動回路部１５０ａ，１５０ｂに伝達し（ステップＳ３２）、ステップＳ２８の処理に戻る。以降、この手順を繰り返し、制御目標値と等しい電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂに流れるように制御する。制御目標値どおりの電流が送電コイルに印加されたら、最初のステップＳ２１における受電回路部２２０での受電電力の測定に戻り、以上の流れを繰り返す。

尚、第２形態での無線給電システムの構成例においても、第１形態と同様、電源１１０は、送電装置１０内に１つのみ設けているが、複数設けても良い。例えば、制御部１２０に電源を供給する電源と、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂに電源を供給する電源とをそれぞれ別の電源として用意しても良いし、複数の駆動回路毎に電源を備えても良い。

第２形態では、第１形態と同様、従来と比較して安定して送電効率の良い無線給電システムを構築することができるばかりでなく、システム構成に受電電力測定回路２４０を設けて制御を行うことにより、電力が十分と判断されれば、それ以降の制御ループを省略することができる。このため、第２形態では、第１形態に対して、制御回路の省電力化や給電回路の制御の高速化等をより促進することができる。

［第３形態］
次に、本発明の実施の第３形態について説明する。図６は本発明の実施の第３形態に係り、無線給電システムの構成図である。

第１形態では、送電装置１０における送電コイル対が１組（送電コイル対１５１）のみであったが、第３形態は、複数組の送電コイル対を有するものである。

図６は送電コイル対を複数化した一例であり、具体的には、図６に示す送電装置３０において、第１形態における１組の送電コイル対１５１に加えて、２組の送電コイル対１６１，１７１を追加し、計３組の送電コイル対１５１，１６１，１７１を配置している。

追加した送電コイル対１６１の送電コイル１６２ａ，１６２ｂと送電コイル対１７１の送電コイル１７２ａ，１７２ｂには、同数の駆動回路部を配置し、各送電コイル１６２ａ，１６２ｂ，１７２ａ，１７２ｂに、対応する駆動回路部１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂを接続する。

その他の構成は第１形態と同様であり、第１形態と同じ構成要素については、同じ符号を付して、その説明を省略する。

尚、このように複数組の送電コイル対を設ける場合には、各送電コイル対の巻き軸は、互いに直交するように配置することが好ましい。送電コイルに印加する電流を制御することで、任意の大きさの磁界を任意の方向に発生させることが可能となるからである。

第３形態の無線給電に係る制御の流れは、図３のフローチャートに示す第１形態の制御の流れと基本的に同様であり、以下にその制御の流れを説明する。

先ず、送電装置１０もしくは受電装置となるカプセル内視鏡２０の少なくともどちらか一方に備えられた位置・向き検出部２００は、受電アンテナ２１０の位置・向きを検出し、検出した位置・向き情報を送電装置１０の制御部１２０へ伝達する。

制御部１２０は、受電アンテナ２１０の位置・向き情報が変化したかどうかを判断し、受電アンテナ２１０の位置或いは向きが変化した場合、受電アンテナ２１０の位置での磁界予測に基づき、送電コイルに印加する電流の大きさ・位相・周波数等の制御目標値を変更する処理を行う。すなわち、制御部１２０は、受電アンテナ２１０の位置に応じて、駆動する送電コイルと、駆動する送電コイルに印加する電流を決定し、これを制御目標値とする。

尚、駆動する送電コイルの決定は、基本的に第１形態と同様であり、受電アンテナ２１０との位置関係に基づいて、送電コイル対の単独のコイル或いはペアのコイルが駆動対象として決定される。

次に、制御部１２０は、制御目標値に基づいて制御信号を生成し、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂに伝達する。制御信号を受けた駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂは、対応する送電コイル１５２ａ，１５２ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１７２ａ，１７２ｂに制御信号に基づいた電流を印加した後、対応する送電コイルに流れる電流を測定し、フィードバック信号として制御部１２０へ伝達する。

制御部１２０は、フィードバック信号に基づき、制御目標値どおりの電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１７２ａ，１７２ｂに流れているかを判断する。以降、この手順を繰り返し、制御目標値と等しい電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１７２ａ，１７２ｂに流れるように制御する。

尚、本形態の構成において、電源１１０は送電装置３０内に１つのみ設けているが、第１形態と同様、複数設けても良い。例えば、制御部に電源を供給する電源と、駆動回路部に電源を供給する電源とをそれぞれ用意しても良いし、複数ある駆動回路部毎に電源を備えても良い。

以上のように、第３形態のシステムでは、第１形態と同様に送電効率の良い無線給電システムを構成することが可能となるばかりでなく、複数組の送電コイル対を備えることで、より適切な送電アンテナの選択が可能となり、より送電効率の向上を図ることができる。

［第４形態］
次に、本発明の実施の第４形態について説明する。図７は本発明の実施の第４形態に係り、無線給電システムの構成図である。

第４形態は、第３形態と同様に複数の送電コイル対を備えると共に、第２形態と同様、受電電力を測定し、この受電電力の測定結果に基づいて、送電コイルに印加する電流を制御するものである。

図７は、複数組の送電コイル対の一例として、３組の送電コイル対１５１，１６１，１７１を用いた例を示している。送電側の構成は第３形態の送電装置３０と同様であり、また、受電側の構成は第２形態と同様であり、カプセル内視鏡２０Ａに、受電アンテナ２１０と、受電電力測定回路２４０を有する受電回路部２２１と、機器部２３０とを備えている。すなわち、第４形態は、図６に示した第３形態の受電回路部２２０に、受電電力測定回路２４０を付加した構成とも言える。

第４形態の無線給電に係る制御の流れは、図５のフローチャートに示す第２形態の制御の流れと基本的に同様であり、以下にその制御の流れを説明する。

制御部１２０は、第２形態と同様、受電電力測定回路２４０が測定した受電電力の値が所望の値であるか否かを判断する。受電電力の値が所望の値であれば、送電コイルに流れる電流が適正であるから制御目標値の変更は行わず、再度、受電電力の値を測定する。受電電力の値が所望の値でなければ、受電アンテナ２１０の位置・向きを検出し、位置・向きに変化がないかを確認する。

以降、受電電力が所望の値でなかった場合の制御例について説明する。先ず、送電装置３０もしくはカプセル内視鏡２０Ａの少なくともどちらか一方に備えられた受電アンテナ２１０の位置・向き検出部２００は、受電アンテナ２１０の位置・向きを検出し、検出した位置・向き情報を制御部１２０へ伝達する。

制御部１２０は、伝達された受電アンテナ２１０の位置・向き情報を基に、受電アンテナ２１０の位置・向きに変化があったかどうかを判断する。受電アンテナ２１０の位置・向きに変化があった場合、電流を印加する送電コイルの決定と送電コイルに印加する電流の決定とを改めて行う。これに伴い、制御目標値が新たに設定される。

また、受電アンテナ２１０の位置・向きに変化がなかった場合、制御部１２０は、送電コイルに印加する電流が不適当であったと判断する。従って、この場合、制御部１２０は、電流を印加する送電コイルの変更は行わず、印加する電流が適正になるように制御目標値を設定する。

更に、制御部１２０は、制御目標値から制御信号を生成し、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂに伝達する。制御信号を受けた駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂは、対応する送電コイルに電流を印加し、次に、対応する送電コイルに流れる電流を測定してフィードバック信号として制御部１２０へ送信する。

制御部１２０は、制御目標値どおりの電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１７２ａ，１７２ｂに流れているかを判断し、制御目標値に対する誤差から再度、制御信号を生成し、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂに伝達する。

以降、この手順を繰り返し、制御目標値どおりの電流が送電コイル１５２ａ，１５２ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１７２ａ，１７２ｂに流れるように制御する。制御目標値どおりの電流が送電コイルに印加されたら、受電回路部２２０での受電電力の測定に戻り、以上の流れを繰り返す。

尚、本形態でのシステム構成例において、電源１１０は送電装置３０内に１つのみ設けているが、複数設けても良い。例えば、制御部１２０に電源を供給する電源と、駆動回路部１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂにそれぞれ電源を供給する電源とを別に用意しても良いし、複数ある駆動回路部毎に電源を備えてもよい。

以上のように、第４形態では、複数組の送電コイル対を備えて受電電力を測定することから、第１形態と同様に安定して送電効率の良い無線給電システムとすることができると共に、第２形態と同様に省電力化や給電制御の高速化等の効果が得られ、更に、第３形態と同様の適切な送電アンテナの選択と省電力化とを同時に実現することができ、更なる送電効率の向上を図ることができる。

尚、上述した各実施の形態では、本発明に係る無線給電システムを医療用のカプセル内視鏡に適用した例について説明したが、本発明は医療用のカプセル内視鏡に限定されるものではなく、他の医療用或いは工業用機器へ無線給電を行うシステムにも適用できることは言うまでもない。

本発明の実施の第１形態に係り、無線給電システムの構成図 同上、制御の流れを示すフローチャート 同上、送電アンテナ及び受電アンテナの配置を示す説明図 本発明の実施の第２形態に係り、無線給電システムの構成図 同上、制御の流れを示すフローチャート 本発明の実施の第３形態に係り、無線給電システムの構成図 本発明の実施の第４形態に係り、無線給電システムの構成図 従来例に係り、エネルギー供給装置の構成図 同上、一次コイルの配置図

符号の説明

１０，３０ 送電装置
２０，２０Ａ カプセル内視鏡
１２０ 制御部
１５０ａ，１５０ｂ，１６０ａ，１６０ｂ，１７０ａ，１７０ｂ 駆動回路部
１５１，１６１，１７１ 送電コイル対
２００ 位置・向き検出部
２１０ 受電アンテナ
２２０，２２１ 受電回路部
２４０ 受電電力測定回路

Claims (7)

1. 無線方式により送電アンテナから受電アンテナに電力を伝送する無線給電システムにおいて、
   前記受電アンテナの配置状態に係る情報を検出する検出部と、
   前記送電アンテナの複数の送電コイルを個別に駆動する複数の駆動部と、
   少なくとも前記受電アンテナの配置状態に係る情報に基づいて、前記駆動部を介して前記送電コイルに流れる電流を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする無線給電システム。
2. 前記受電アンテナの配置状態に係る情報として、前記受電アンテナの位置及び向きを検出することを特徴とする請求項１記載の無線給電システム。
3. 前記受電アンテナを介して電力を受電する受電装置に、受電電力を測定する受電電力測定回路を備え、該受電電力測定回路で測定した受電電力の測定値と前記受電アンテナの配置状態に係る情報とに基づいて、前記送電コイルに流れる電流を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の無線給電システム。
4. 前記受電電力の測定値に基づいて、前記送電アンテナの電流値が適正か否かを判断することを特徴とする請求項３記載の無線給電システム。
5. 前記送電アンテナは、ヘルムホルツ型送電アンテナであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の無線給電システム。
6. 前記受電アンテナの配置状態が前記ヘルムホルツ型送電アンテナを構成する２つの送電コイルの中間位置から設定範囲内であるか否かに応じて、前記２つの送電コイルをペア又は単独で駆動することを特徴とする請求項５記載の無線給電システム。
7. 前記受電アンテナは、カプセル内視鏡に内蔵される受電アンテナであることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の無線給電システム。

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