JP2016027782A - 無線給電装置および無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】移動体へ無線で給電する方法は従来存在しているが、移動体の位置による給電効率の変化が大きく利用が難しかった。【解決手段】特定空間を内包するように給電コイルを巻回することにより、特定空間においては位置変化に対する給電効率の変動が小さくなるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、電線を用いないで電力を供給する無線給電装置、およびこの無線給電装置を用いた無線給電システムに関するものである。

従来の電磁誘導作用での無線給電技術は、特定距離で受電コイルと給電コイルが近接し対面した状態で給電することを前提として設計されている。移動する物体に給電を行う場合、給電可能な特定位置に移動した時にのみ無線給電される。（例えば特開２０１０−０６３３６１など）

これらは、近接での給電効率を上げるためコイル背面などにフェライト等の磁性体を設置してコイル付近に磁束が集中する構造となっている。（例えば特開平１１−１７６６７７など）

また、給電コイルが給電可能な位置に移動し給電する場合もあるが、給電される物体は給電中の移動をしない前提となっている。（例えば特開２０１０−２６３６６３など）

特開２０１０−０６３３６１公報 特開平１１−１７６６７７公報 特開２０１０−２６３６６３公報

従来のシステムでは給電される物体が移動することを考慮していないため、給電コイルと受電コイルが近接して対面することを前提として設計されている。一方、移動する物体に対して安定して給電する場合には、給電する範囲に対して磁束分布を均一かつ広範囲となるように設計する必要がある。
例えば、小動物に小型の実験用装置を付けて長時間実験を行う場合に、実験動物は移動するため、実験用装置に無線で給電することが好ましい。このような場合、受電コイルがある実験用装置は移動しているので、実験用装置への無線給電が安定して行われる必要がある。
さらに、センサを取り付けた装置がある空間内を移動している場合に、当該センサへの給電を無線給電で行おうとする場合にも同様の問題が生ずる。

また、給電されるエネルギー量が給電可能範囲の中でも大きく異なるため、逆に給電コイル付近に受電コイルが位置する場合には電力が過剰供給状態となるため、過剰電力を何らかの方法で消費する必要がある。（磁束分布問題）

無線給電は、受電コイルを通過する磁束の量により給電量が大きく変動するが、磁束密度は、ビオサバールの法則によりコイルの距離が離れると大きく減衰する。そのため、給電範囲がコイル位置より遠く離れる場所に給電を行う場合、コイルが必要とする電力が大きくなると同時に、周囲へ、大量の漏れ磁束が発生し周囲の金属に誘導電流を発生させ電力損失や金属の過熱等が問題となる。（漏れ磁束問題）

更には、給電コイル近くに磁性体が存在する場合、給電コイル付近に磁束が集中し遠距離に給電可能な磁束を発生させることが困難となり、遠距離での給電ができなくなるという問題がある。（周辺磁性体問題）

そこで上述の問題を解決すべく本発明が成された。

本発明の無線給電装置は、特定空間内を移動する移動体が電力を受電できるよう無線で電力を供給する装置であって、無線で電力を供給するための給電コイルを有し、給電コイルの位置が調整可能であることを特徴としている。
この特徴により、給電コイルの位置を移動体に応じて調整可能とすることが出来る。

更に本発明の無線給電装置は、特定空間の一部または全部が給電コイルに内包されることを特徴としている。
この特徴により、特定空間の一部または全部が給電コイルに内包される。即ち給電コイルの内側の空間を特定空間とすることが可能となる。

加えて、本発明の無線給電装置は、給電コイルを移動体の存在確率が高い位置へ移動させることが可能な給電コイル位置調整機構を有することを特徴としている。
この特徴により、特定空間内に存在する移動体の存在確率が最も高い位置へ給電コイルを移動させることができ、効率的に給電することが可能となる。

更に本発明の無線給電システムは、前述の給電装置を用いて、給電する電力に対する外部から受ける影響が最小限となるよう給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有することを特徴としている。
この特徴により、前述の給電装置を用いながら給電コイルの位置変化に対するインピーダンス変動を計測することにより給電効率の最も良い（＝外部からの影響が最小）位置へと給電コイルを移動させることができる。

また本発明の無線給電システムは、前述の給電装置を用いて、移動体の位置の変化によって生ずる移動体への給電量の変動が最小限となるよう給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有することを特徴としている。
この特徴により、前述の給電装置を用いながら移動体の位置変化に対する移動体の受電量変動を計測して給電コイルを適切な位置へ移動させることが可能となる。

本発明の無線給電システムは、移動体の受電状況に応じて給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有することを特徴としている。
この特徴により、前述の給電装置を用いながら移動体の何かしらの要因による受電状況の変化に対してより受電効率の高くなる位置へ給電コイルを移動させることが可能となる。

本発明により磁束分布問題・漏れ磁束問題・周辺磁性体問題が解決でき、特定領域内の広範囲にわたって安定且つ省電力に無電給電を行うことが可能となる。
これにより、一定範囲内を移動する物体に対して移動しながらの給電が可能となる。これまでロボットアーム等のスリップリングで回転部に給電していたアクチュエータやセンサが無線給電となることによって、スリップリングが不要になり小型化・長寿命化が可能となるなど、多彩な用途に利用できる。

本発明の基本的な概念を示す斜視図である。 本発明の概念に基づいて実施したシミュレーションの結果を表すグラフである。 給電コイルの位置をアクチュエータで移動させる例を示す図である。 インピーダンスを測定して給電コイルの位置を変化させる例を示す図である。 移動体からの無線により給電コイルの位置を変化させる例を示す図である。 複数の給電コイルを切り替えて給電する例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１は、本発明の基本概念を説明する図であり、給電コイル３の長方形の区画内に受電を行う移動体がある場合の磁界解析を説明している。
図１に示す１５０ｍｍＸ３００ｍｍＸ１０ｍｍ・１０ターンの長方形のコイルに１Ａの電流を流した場合に発生する磁束密度について、磁気解析をＪＳＯＬ社のJMAG Designerを使用して解析を行った。
図１のコイル中心を原点としてY=0における各Ｚ軸高さにおけるＺ軸方向の磁束密度分布を図２に示す。

これからわかるように、コイルから距離が遠くなるにつれて急激に磁束が減少していることがわかる。例えば、Ｚ軸方向、高さ200mmの範囲まで給電することを考えた場合、中心付近においてはZ=50mmの場合とZ=200mmの場合では磁束が1/7となっており、給電可能な電力も大きく異なることがわかった。

一方、同じＺ軸方向高さ200mmの範囲まで給電する場合においても、コイル位置をＺ軸方向高さ100mmに配置した場合、磁束はZ=50mmとZ=100mmの間で変動することになるので、給電可能な電力の変動が1/2になることがわかった。
これにより、コイル位置を最適化することで給電可能な電力の大幅な減衰を抑えると同時に急激な変動を抑えられることがわかった。

尚、図１は、Ｘ軸とＹ軸は水平方向の座標を意味し、Ｚ軸は高さ方向（鉛直方向）を意味する。コイルの位置との相対関係であるため必ずしもＺ軸が鉛直方向である必要は無い。

移動体の内部にある受電コイルの高さに合せて給電コイルの位置（Ｚ軸方向）を決定することにより給電効率を高めることができる。

また、図２に示す通り、コイルの導体より内側での特性であり、外側（周方向に遠い側）においては安定した磁束密度が期待できない。よって、コイルの内側に移動体が存在することが望ましい。

ここで、移動体として小動物実験装置を受電体とし、実験小動物を入れるケージ（合成樹脂製）の外側に給電コイルをＸ，Ｙ軸方向を水平におき、Ｚ軸方向（垂直方向）に移動可能として給電する例を図３を参照して説明する。

無線給電装置１は、給電装置２と給電コイル３とを備える。給電コイル３は、受電体となる移動体１０に無線給電を行う。ここで、移動体１０は、合成樹脂製のケージ５に入れられている。無線給電用の給電コイル３は、ケージ５の外側に水平に周回するように巻回され、アクチュエータ４でＺ軸方向に移動できるように配置されている。給電コイル３は、無線給電制御部２１に接続され、無線周波数の給電電力が付与される。移動体１０は、ケージ５内のＸＹ平面だけでなく、Ｚ軸方向（垂直方向）にも移動するものとする。

給電コイル３は、アクチュエータ制御部２２により、Ｚ軸方向に移動でき、受電体となる移動体１０の位置に合わせてその位置が制御され、給電効率を高める。
本発明における無線給電システムはこのような無線給電装置と給電コイルの位置を制御するアクチュエータとアクチュエータを制御する制御部とからなるものである。

前述の制御部が給電コイルのインピーダンスを計測可能としても良い。この構成の例を図４として示す。インピーダンス測定部２４は、給電コイル３のインピーダンスを測定し、外部からの電磁波の影響を把握する。そして、この計測の結果を加味し、移動体１０への給電に適したＺ軸方向の位置にアクチュエータ４を制御して給電コイル３の位置を移動させることが可能である。
これにより、外部からの電磁界の影響を把握できるため、同一の部屋等に複数の給電コイル３が存在するような場合の給電装置間の相互の影響を小さくするように給電コイル３の位置を調節できる。

また、移動体の受電状況を給電以外の無線通信で給電側の制御部へ通知するようにしても良い。この構成の例を図５に示す。移動体１０には、無線部１１を備えており、無線部１１から給電装置２の無線部２３へその受信状況を通知する。給電装置２は、移動体１０から通知された受信状況に応じて給電コイル３のＺ軸方向の高さをアクチュエータ４を用いて制御することができる。

移動体が水平方向（Ｘ軸Ｙ軸方向）に移動した際の受電量（＝磁束密度）の変化を給電側の制御部へ通知することにより、制御部はより水平方向の移動に対する磁束密度の変化の少ない高さ（Ｚ軸方向）を摸索して給電コイルを移動させるようにしても良い。

また、移動体が特に移動していないにもかかわらず受電量（＝磁束密度）が変化することも考えられる。移動体自体が自身の重心を中心としてヨーイング・ピッチング・ローリングをすると受電コイルが変位するため当然として受電量が変化する。この様な移動体の動作の内容と受電量の変化をヒモ付けして給電側へ通知することにより、給電側の制御部は移動体の受電量の向上する給電コイルの高さ（＝Ｚ軸方向）を摸索して給電コイルを移動させるようにしても良い。

上述の例では、給電コイル３の位置をアクチュエータ４によって移動させる例で説明したが、複数の給電コイル３を設け、移動体１０の位置により、給電状態がよい給電コイル３を切り替えることもできる。その例を図６に示す。Ｚ軸方向に複数の給電コイル３−１、３−２、３−３、・・・を設け、この給電コイル３への給電を切替スイッチ２４で切り替えることができる。これにより、アクチュエータを用いることなく、移動体３への適切な給電を行うことができる。また、給電コイルはケージ等にスライド可能に設けておき、給電状態がよい位置に移動させるようにしてもよい。

複数の移動体が存在する場合には、それぞれの移動体の受電コイルの高さ（Ｚ軸方向の位置）のうち出現頻度が一番多い値を採用して、その高さ（Ｚ軸方向の位置）になるよう給電コイルを調整すると良い。

給電コイルが複数、多量に隣接した場所に置かれたような場合、相互に影響を与えるおそれがある。上述したような、小動物実験装置を移動体として用いる場合、ケージが同一場所に多数置かれて実験が行われることになる。このような場合に、外部の電磁界の影響を把握し、その影響を排除するように、給電コイルの位置を移動することができる。

なお、上述の説明では、小動物実験装置を受電体とした移動体の例で説明したが、移動体は上述の例に限定されない。例えば、玩具であったり、移動工作機械であったりしても良い。また、一定空間内を移動するセンサを内蔵した移動体でも良い。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

量産可能な無線給電装置およびこれを用いる無線給電システムによって移動体による柔軟且つ効率的な電力供給が実現でき、利便性と他分野への応用による新たな用途の可能性が期待できるなどの効果を有している。

１ 無線給電装置
２ 給電装置
３ 給電コイル
４ アクチュエータ
５ ケージ
１０ 移動体
２１ 無線給電制御部
２２ アクチュエータ制御部
１１、２３ 無線部
２４ インピーダンス測定部
２５ 切替スイッチ

Claims (6)

1. 特定空間内を移動する移動体が電力を受電できるよう無線で電力を供給する装置であって、
   該無線で電力を供給するための給電コイルを有し、
   該給電コイルの位置が調整可能である、
   ことを特徴とする無線給電装置。
2. 前記特定空間の一部または全部が前記給電コイルに内包される、
   ことを特徴とする請求項1に記載の無線給電装置。
3. 前記給電コイルを前記移動体の存在確率が高い位置へ移動させることが可能な給電コイル位置調整機構を有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線給電装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線給電装置を用いた無線給電システムであって、
   給電する電力に対する外部から受ける影響が最小限となるよう前記給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有する、
   ことを特徴とする無線給電システム。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線給電装置を用いた無線給電システムであって、
   前記移動体の位置の変化によって生ずる前記移動体への給電量の変動が最小限となるよう前記給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有する、
   ことを特徴とする無線給電システム。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線給電装置を用いた無線給電システムであって、
   前記移動体の受電状況に応じて前記給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有する、
   ことを特徴とする無線給電システム。