JP2018074380A

JP2018074380A - 無線電力伝送装置

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Publication number: JP2018074380A
Application number: JP2016211814A
Authority: JP
Inventors: 坂田　勉; Tsutomu Sakata; 勉坂田; 菅野　浩; Hiroshi Sugano; 浩菅野; 英治高橋; Eiji Takahashi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-10

Abstract

【課題】光通信時の光エネルギのロスを低減できる無線電力伝送装置を提供する。【解決手段】ある実施形態における無線電力伝送装置は、第１のコイルと、第２のコイルと、前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、前記第２のコイルを支持し、アクチュエータによって駆動される第２の支持部材と、前記第１および第２の支持部材の一方に支持された発光素子と、前記第１および第２の支持部材の他方に支持され、前記発光素子から出射した光信号を受ける受光素子と、前記発光素子から前記受光素子に向かう方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導くミラーと、を備える。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、通信および電力伝送を無線で行う無線電力伝送装置に関する。

特許文献１は、通信および電力伝送を無線（非接触）で行う駆動装置を開示している。この駆動装置は、固定部と可動部とを備えている。固定部は、送電部および第１光無線通信器を有する。可動部は、受電部および第２光無線通信器を有する。送電部および受電部の間で、非接触で電力が伝送される。また、第１および第２光無線通信器の間で、光による無線通信が行われる。第１および第２光無線通信器はいずれも、光信号を送信するためのレーザ素子と、光信号を受信するための光電変換素子とを有している。

国際公開第２０１４／０４９８１５号明細書

本開示は、光による通信を行う際に、光エネルギのロスを低減できる新規な無線電力伝送装置を提供する。

本開示の一態様に係る無線電力伝送装置は、
第１の方向に延びた第１のコイル面を有する第１のコイルと、
前記第１の方向におけるサイズが前記第１のコイル面の前記第１の方向におけるサイズよりも小さい第２のコイル面を有し、前記第１のコイルに対向し、前記第１のコイルとの間で無線電力伝送を行う第２のコイルと、
前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、
前記第２のコイルを支持する第２の支持部材であって、前記第２の支持部材を前記第１の支持部材に対して前記第１の方向に移動させるアクチュエータに取り付けることが可能な第２の支持部材と、
前記第１および第２の支持部材の一方に支持され、前記第１の方向に向けて光信号を出射する発光素子と、
前記第１および第２の支持部材の他方に支持され、前記発光素子から前記第１の方向に離れて位置し、前記発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーと、
を備える。

本開示の他の態様に係る無線電力伝送装置は、
第１の方向に垂直なコイル面を有する第１のコイルと、
前記第１のコイルに対向し、前記第１のコイルとの間で無線電力伝送を行う第２のコイルと、
前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、
前記第２のコイルを支持する第２の支持部材であって、前記第２の支持部材を、前記第２のコイルの中心を通り前記第１の方向に平行な軸の周りに回転させるアクチュエータに取り付けることが可能な第２の支持部材と、
前記第１および第２の支持部材の一方において、前記軸の近傍に設けられ、前記第１の方向に向けて光信号を出射する発光素子と、
前記第１および第２の支持部材の他方において、前記軸の近傍に設けられ、前記発光素子から前記第１の方向に離れて位置し、前記発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーと、
を備える。

これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、又は、記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、光による通信を行う際に、光エネルギのロスを低減することができる。

図１は、本発明者らが開発を進めている電動装置（無線電力伝送装置）の一例（比較例）を模式的に示す図である。図２Ａは、Ｚ方向から見た無線電力伝送装置の構成の一部を示している。図２Ｂは、Ｙ方向から見た無線電力伝送装置の構成の一部を模式的に示している。図３は、本開示の第１の実施形態における無線電力伝送装置１００の概略的な構成を示すブロック図である。図４Ａは、＋Ｚ方向から無線電力伝送装置１００の内部を見たときの状況を示している。図４Ｂは、−Ｙ方向から無線電力伝送装置１００の内部を見たときの状況を示している。図４Ｃは、＋Ｘ方向から無線電力伝送装置１００の内部を見たときの状況を示している。図５Ａは、発光素子５００から出射される光の例を模式的に示す図である。図５Ｂは、本実施形態におけるミラー２６０の作用を模式的に示す図である。図６Ａは、発光素子５００と受光素子５１０とが最も離れた状態を示している。図６Ｂは、可動筐体３５０が移動することによって発光素子５００と受光素子５１０とが図６Ａに示す状態よりも近づいた状態を示している。図７Ａは、２つのミラー２６０が、固定筐体２５０における２つの壁面２５０ｄ、２５０ｅにそれぞれ設けられている例を示している。図７Ｂは、３つのミラー２６０が、固定筐体２５０における３つの壁面２５０ｃ、２５０ｄ、２５０ｅにそれぞれ設けられている例を示している。図７Ｃは、ミラー２６０が、送電コイル２１０を支持する第２の壁面２５０ｂに設けられている例を示している。図７Ｄは、ミラー２６０が曲面形状の反射面を有する例を示している。図７Ｅは、ミラー２６０が２つの壁面２５０ｃ、２５０ｅに跨って設けられている例を示している。図８は、双方向性通信を行う無線電力伝送装置１００の構成の一部を模式的に示す図である。図９は、反射防止材５２０が設けられていない状態の無線電力伝送装置１００を示す図である。図１０Ａは、無線電力伝送装置１００のより詳細な構造の例を示す第１の図である。図１０Ｂは、無線電力伝送装置１００のより詳細な構造の例を示す第１の図である。図１０Ｃは、無線電力伝送装置１００のより詳細な構造の例を示す第１の図である。図１１は、無線電力伝送装置１００のより詳細な構成の例を示すブロック図である。図１２は、送電コイル２１０および受電コイル３１０の等価回路を示す図である。図１３Ａは、インバータ回路２２０の構成例を示す図である。図１３Ｂは、インバータ回路２２０の他の構成例を示す図である。図１４は、整流回路３２０の構成例を模式的に示す図である。図１５Ａは、本開示の第２の実施形態における無線電力伝送装置１００Ａの構成の一部を模式的に示す図である。図１５Ｂは、図１５Ａにおける無線電力伝送装置１００ＡのＸＺ面に平行な断面を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

図１は、本発明者らが開発を進めている電動装置（無線電力伝送装置）の一例（比較例）を模式的に示す図である。この電動装置は、例えば工場における物品の搬送などの各種の作業に用いられる。電動装置は、壁に固定され、第１の方向（図１における横方向）に延びた固定アーム（第１の支持部材）２５０と、固定アーム２５０に接続され、第１の方向に垂直な第２の方向（図１における下方向）に延びた移動アーム（第２の支持部材）３５０とを備えている。固定アーム２５０の内部には、第１の方向に延びたコイル面を有する送電コイル２１０が配置されている。移動アーム３５０の内部には、受電コイル３１０が、送電コイル２１０と対向する状態で配置されている。移動アーム３５０の先端には、エンドエフェクタ３０（この例ではロボットハンド）が接続されている。移動アーム３５０は、図示されていないリニアアクチュエータによって第１の方向に移動可能に構成されている。移動アーム３５０は、受電コイル３１０と送電コイル２１０とが対向した状態を維持しながら、第１の方向に移動することができる。

この電動装置は、さらに、送電回路６０と、受電回路７０とを備えている。送電回路６０は、図示されていない電源と送電コイル２１０との間に接続されている。受電回路７０は、受電コイル３１０とエンドエフェクタ３０との間に接続されている。送電回路６０は、インバータ回路と、インバータ回路を制御する送電制御回路とを備える。送電回路６０は、外部の電源から供給された電力を、インバータ回路によって所定の周波数の交流電力に変換し、送電コイル２１０に供給する。これにより、送電コイル２１０から受電コイル３１０に無線で電力が伝送される。受電コイル３１０は、送電コイル２１０から受け取った交流電力を受電回路７０に送る。受電回路７０は、受け取った交流電力を、エンドエフェクタ３０が要求する電力形態に変換して出力する。例えば、受電回路７０は、受け取った交流電力を、所定の電圧の直流電力、または所定の電圧および周波数をもつ交流電力（三相交流電力を含む。）に変換する。受電回路７０は、このような変換を実現するための各種の回路（整流回路または周波数変換回路など）を含む。エンドエフェクタ３０は、受電回路７０から供給された電力によって駆動される。

このような電動装置によれば、固定アーム２５０と移動アーム３５０との連結箇所においてケーブルを介さずに電力を伝送することができる。ケーブルを用いた従来の構成では、ケーブルの屈曲および伸長が繰り返されることによる摩耗または断線のおそれがあった。また、ケーブルの引っ掛かりによる事故の発生、および可動域の制限などの課題もあった。本比較例のように、無線電力伝送を適用することにより、これらの課題を解決することができる。

このような電動装置においては、電力だけでなく、エンドエフェクタ３０を制御するための制御信号も、エンドエフェクタ３０に供給する必要がある。例えば、エンドエフェクタ３０が備える１つ以上のモータの回転状態（例えば、回転速度およびトルク）を決定する制御信号を、各モータを駆動する回路に供給する必要がある。また、エンドエフェクタ３０から送電側の制御回路にも、様々な信号が送信され得る。例えば、制御信号に対する応答信号、またはインピーダンスもしくは電圧等の変動を示す信号などが、エンドエフェクタ３０から送電側制御回路に送信され得る。

このような通信を実現する方法には、様々な方法が考えられる。例えば、送信する信号に応じて回路内の負荷（抵抗またはリアクタンス）を変調することにより、伝送される交流電力の振幅を変調させる方法（振幅変調方式）が考えられる。あるいは、送電側から受電側への通信に関しては、伝送する電力の周波数を変調させることによって信号を送信する方法（周波数変調方式）も可能である。しかし、これらの方法は、エンドエフェクタ３０への制御信号のように、比較的大きいデータ量の信号を送信する場合には適していない。他の方法として、無線ＬＡＮなどの電波（マイクロ波）を用いた通信も考えられる。しかし、工場内に複数のロボットを配置してそれらを同時に制御するような状況では、相互干渉の問題が生じるため、電波を用いた方法は好ましくない。

以上の考察に基づき、本発明者らは、光を用いて信号（データ）を送信することを検討した。本明細書において「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）だけでなく、赤外線（波長が約７００ｎｍ〜約１ｍｍ）および紫外線（波長が約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ）を含む電磁波を意味する。可視光を用いた通信は、特に可視光通信と呼ばれる。光を用いた通信では、振幅変調方式および周波数変調方式などと比較して、高い伝送レート（例えば、数ｋｂｐｓ〜数十Ｍｂｐｓ）の送信が可能である。このため、例えばモータ制御信号のような比較的大きいサイズのデータも問題なく送信することができる。また、電波を用いた無線通信とは異なり、相互干渉の問題もない。

図２Ａおよび図２Ｂは、光による通信を行う無線電力伝送装置の一例（比較例）を模式的に示す図である。ここでは、受電側から送電側に光信号を送信する例を説明する。以下の説明では、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標を用いる。各コイルのコイル面に平行にＸ軸およびＹ軸を設定し、コイル面に垂直にＺ軸を設定する。送電コイル２１０が延びる方向（第１の方向と呼ぶ。）をＸ方向とする。なお、図示されている座標系は、説明の便宜のために設定されており、本開示の実施形態における装置が実際に使用される際の配置および向きを制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

図２Ａは、Ｚ方向から見た無線電力伝送装置の構成の一部を示している。図２Ｂは、Ｙ方向から見た無線電力伝送装置の構成の一部を模式的に示している。前述の比較例では、第１の支持部材２５０を固定アーム、第２の支持部材３５０を移動アームであるものとして説明したが、これらの支持部材がアーム状の構造を有している必要は必ずしもない。図２Ａおよび図２Ｂに示す比較例では、第１の支持部材２５０はアーム状の構造を有しているが、第２の支持部材３５０はアーム状の構造を有していない。

この比較例では、第２の支持部材３５０に発光素子５００が設けられ、第１の支持部材２５０に受光素子５１０が設けられている。図示されていないが、発光素子５００は不図示の送信回路に接続され、受光素子５１０は不図示の受信回路に接続されている。発光素子５００から出射した光信号が、受光素子５１０に入射する。受光素子５１０から受信回路に、受光量に応じた電気信号が送られる。受信回路は、その電気信号に基づき、送られてきたデータを読み取る。以上の構成により、受電側から送電側にデータを送信することができる。

図２Ａおよび図２Ｂには示されていないが、送電側から受電側への通信も同様の構成によって行われ得る。すなわち、第１の支持部材２５０に発光素子を設け、第２の支持部材に受光素子を設けることにより、送電側から受電側への通信が可能である。第１の支持部材２５０および第２の支持部材３５０のそれぞれに発光素子および受光素子を設けることにより、双方向通信を実現することができる。

このような比較例の構成において、発光素子５００には、例えば特許文献１の装置において使用されているレーザ素子を用いることが考えられる。レーザ素子は指向性が非常に高い、すなわちビームの広がり角度が小さいため、高い光利用効率の通信が可能である。しかし、レーザ素子は一般に高価である。より安価な光源を用いることができれば、装置のコストを低減することができる。

そこで、本発明者らは、レーザ素子の代わりに、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、安価な発光素子を用いることを検討した。しかし、レーザ素子と比較して、ＬＥＤなどの安価な発光素子には、出射光の指向性が低い、すなわちビームの広がり角度が大きいという問題がある。低い指向性のため、発光素子から出射された光は、受光素子に向かう方向だけでなく、その周囲にも大きく拡がってしまう。仮にレンズを用いて集光したとしても、周囲への光の拡散を十分に抑制することは困難である。

したがって、レーザ素子の代わりに指向性の低い発光素子を用いた場合、発光素子から出射された光のごく一部のみが受光素子に到達する。残りの光は、通信に寄与せず、損失することになる。その結果、例えば、通信品質が低下したり、通信可能な距離が短縮したり、十分な光量を確保するために発光素子に供給する電力を大きくする必要が生じたりする等の課題が発生する。

本発明者らは、上記の課題に着目し、この課題を解決するための構成を検討した。本発明者らは、発光素子から出射する光の少なくとも一部を反射して受光素子に導く素子（ミラー）を導入することにより、上記の課題の少なくとも１つを解決できることを見出した。以下、本開示の実施形態の概要を説明する。

上記態様によれば、前記無線電力伝送装置は、前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーを備える。

これにより、発光素子から出射して受光素子によって受光される光の量を増加させることができる。仮に発光素子が指向性の低い安価な素子であったとしても、通信品質の劣化、通信距離の短縮化、または消費電力の増加を抑えることができる。

「第１のコイル」は、前述の説明における「送電コイル」に対応する。「第２のコイル」は、前述の説明における「受電コイル」に対応する。しかし、これらのコイルの関係が逆であってもよい。すなわち、相対的に大きい第１のコイルが受電コイルで、相対的に小さい第２のコイルが送電コイルであってもよい。その場合、アクチュエータは、小型の送電コイルを、大型の受電コイルに対して移動させる。

本明細書において、「コイル面」とは、コイルを形成する巻線によって規定される面を意味する。コイルの巻線が平面的に設けられていない場合は、対向する他方のコイルに最も近い部分の巻線によって規定される面が「コイル面」である。

上記態様において、前記ミラーは、例えば前記第１の支持部材に設けられ得る。ここで、第１の支持部材の表面が光反射性を有し、前記ミラーとして機能してもよい。そのような構成であっても、「ミラーが第１の支持部材に設けられている」ことに該当する。

上記態様において、双方向通信を行うために、無線電力伝送装置は、前記第１の支持部材に支持された第１の発光素子と、前記第２の支持部材に支持された第１の受光素子と、前記第２の支持部材に支持された第２の発光素子と、前記第１の支持部材に支持された第２の受光素子とを備えていてもよい。前記第２の発光素子は、前記第１の方向の逆方向に向けて他の光信号を出射する。前記第２の受光素子は、前記第２の発光素子から前記第１の方向の逆の方向に離れて位置し、前記第２の発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する。前記少なくとも１つのミラーは、さらに、前記第２の発光素子から前記第１の方向の逆方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記第２の受光素子に導く。これにより、双方向の通信が実現される。

前記無線電力伝送装置は、各発光素子に接続され、送信する信号に応じて前記発光素子の発光を制御する通信回路（送信回路と称することもある。）と、各受光素子に接続され、前記受光素子から出力された前記電気信号に基づいて、送信された前記信号を読み取る通信回路（受信回路と称することもある。）とを備えていてもよい。

前記無線電力伝送装置は、前記アクチュエータをさらに備えていてもよい。アクチュエータは、例えば前述のリニアアクチュエータ（直動機構）であり得るが、これに限定されない。また、前記無線電力伝送装置は、前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルに交流電力を供給するインバータ回路を備えていてもよい。さらに、前記無線電力伝送装置は、前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルが受け取った前記交流電力を整流して負荷に供給する整流回路、または、異なる周波数の交流電力（三相交流電力を含む。）に変換して負荷に供給する交流変換回路をさらに備えていてもよい。

本明細書において「負荷」とは、電力によって動作するあらゆる機器を意味する。「負荷」には、例えばモータ、カメラ（撮像素子）、光源、二次電池、および電子回路（例えば電力変換回路またはマイクロコントローラ）などの機器が含まれ得る。負荷は、受電コイルよりも後段（先端側）に接続され、受電コイルからの電力を受け取ることのできる機器の全体またはその一部を意味する。前述のエンドエフェクタは、負荷の一例である。前述のアクチュエータが、受電コイルが受け取った電力によって駆動される場合は、そのアクチュエータも負荷に含まれる。

本開示の無線電力伝送装置は、上記の態様に限定されない。例えば、ロボットの関節部分のように、回転する機構を備えていてもよい。回転する部位に無線電力伝送を適用することにより、ケーブルを排除できるため、安全性および可動域を向上させることができる。

上記態様においても、前記無線電力伝送装置は、前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーを備える。

これにより、発光素子から出射して受光素子によって受光される光の量を増加させることができる。このため、仮に発光素子が、指向性の低い安価な素子であったとしても、通信品質の劣化、通信距離の短縮化、または消費電力の増加を抑えることができる。

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態１）
図３は、本開示の第１の実施形態における無線電力伝送装置１００の概略的な構成を示すブロック図である。無線電力伝送装置１００は、送電装置２００と、受電装置３００とを備えている。送電装置２００は、インバータ回路２２０と、送電コイル２１０と、送電側通信回路２４０とを備えている。送電装置２００は、他にもインバータ回路２２０を制御する送電制御回路、および送電側通信回路２４０に接続される発光素子（光源）および／または受光素子などの構成要素を備え得るが、図３ではそれらの図示は省略されている。受電装置３００は、受電コイル３１０と、整流回路３２０と、受電側通信回路３４０とを備えている。受電装置３００は、他にも、受電側通信回路３４０に接続される受電制御回路、発光素子および／または受光素子などの構成要素を備え得るが、図３ではそれらの図示は省略されている。

送電装置２００におけるインバータ回路２２０は、直流電力を出力する外部の電源１０に接続されている。インバータ回路２２０は、電源１０から供給された直流電力を交流電力に変換して送電コイル２１０に供給する。送電コイル２１０は、その交流電力を受電コイル３１０に伝送する。

受電装置３００における受電コイル３１０は、送電コイル２１０に対向して配置される。整流回路３２０は、受電コイル３１０に接続され、受電コイル３１０が受け取った交流電力を直流電力に変換して負荷５０に出力する。負荷５０は、送られてきた直流電力をそのまま利用する機器であってもよいし、直流電力を交流電力に変換して利用する機器であってもよい。前者の機器には、例えば、蓄電用の二次電池もしくはキャパシタ、または直流モータが考えられる。後者の機器には、例えば、永久磁石同期モータなどの交流モータが考えられる。負荷５０は、交流モータを駆動するインバータ回路を含んでいてもよい。負荷５０は、受電装置３００の筐体を送電装置２００の筐体に対して移動させるリニアアクチュエータを含み得る。本実施形態においては、送電装置２００の筐体が「第１の支持部材」に該当し、受電装置３００の筐体が「第２の支持部材」に該当する。以下の説明において、送電装置２００の筐体を「固定筐体」、受電装置３００の筐体を「可動筐体」と称することがある。

送電側通信回路２４０は、外部のコントローラ（制御回路）２０に接続される。コントローラ２０は、例えば、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）などの、プロセッサとメモリとを含む回路または装置であり得る。コントローラ２０は、負荷５０の動作を制御する。より具体的には、コントローラ２０は、負荷５０（例えば、前述のエンドエフェクタ等）を制御するための制御信号の送信を送電側通信回路２４０に指示する。送電側通信回路２４０は、コントローラ２０の指示に従い、発光素子に、送信すべき信号に応じた光信号を出射させる。送電側通信回路２４０はまた、受電側通信回路３４０に接続された発光素子から送信された信号を、受光素子を介して受信する。

受電装置３００における受電側通信回路３４０は、送電装置２００における発光素子から送られてきた光信号を、受光素子を介して受信する。受電側通信回路３４０はまた、受信した信号に対する応答信号、または負荷５０におけるインピーダンスまたは電圧の変動等を示す信号を、発光素子を介して送信する。

図４Ａから図４Ｃは、無線電力伝送装置１００の構成の一部を模式的に示す図である。図４Ａは、＋Ｚ方向から無線電力伝送装置１００の内部を見たときの状況を示している。図４Ｂは、−Ｙ方向から無線電力伝送装置１００の内部を見たときの状況を示している。図４Ｃは、＋Ｘ方向から無線電力伝送装置１００の内部を見たときの状況を示している。図４Ｃにおける矢印は、光が反射することを表している。わかり易くするために、ここでは受電側から送電側への一方向の通信が行われる場合を説明する。

図４Ａおよび図４Ｂに示す構成は、図２Ａおよび図２Ｂに示す比較例の構成に類似している。しかし、本実施形態では、第１の支持部材２５０に、Ｘ方向に延びる反射面を有するミラー２６０が設けられている点で、前述の比較例とは異なっている。

送電コイル２１０は、Ｘ方向に延びたコイル面を有している。受電コイル３１０は、Ｘ方向におけるサイズが送電コイル２１０のコイル面のＸ方向におけるサイズよりも小さいコイル面を有している。送電コイル２１０および受電コイル３１０は、互いに対向し、無線電力伝送を行う。第1の支持部材（固定筐体）２５０は、送電コイル２１０、受光素子５１０、およびミラー２６０を支持している。第２の支持部材（可動筐体）３５０は、受電コイル３１０および発光素子５００を支持している。第２の支持部材３５０は、不図示のアクチュエータに取り付けることができる。アクチュエータは、第２の支持部材３５０を第１の支持部材２５０に対してＸ方向に移動させることができる。これにより、第２の支持部材３５０に接続されるエンドエフェクタ（ハンド）等を移動させ、所望の作業を実行することができる。

本実施形態における第１の支持部材２５０は、送電コイル２１０、受電コイル３１０、発光素子５００、および受光素子５１０を囲む複数の壁面を有する筐体である。図４Ａから４Ｃに示すように、複数の壁面は、受光素子５１０を支持する第１の壁面２５０ａと、第１の壁面２５０ａに交差し、送電コイル２１０を支持する第２の壁面２５０ｂとを含む。複数の壁面はさらに、第２の壁面２５０ｂに対向する第３の壁面２５０ｃと、第１の壁面２５０ａ、第２の壁面２５０ｂ、および第３の壁面２５０ｃに交差する第４の壁面２５０ｄと、第４の壁面２５０ｄに対向する第５の壁面２５０ｅとを含む。ミラー２６０は、第２の壁面２５０ｂ、第３の壁面２５０ｃ、第４の壁面２５０ｄ、および第５の壁面２５０ｅの少なくとも１つに設けられる。本実施形態では、一例として、第５の壁面２５０ｅにのみ、ミラー２６０が設けられている。

第１の支持部材２５０および第２の支持部材３５０は、例えばアルミニウムもしくは鉄などの金属材料（合金を含む）、またはプラスチックなどの樹脂材料によって構成され得る。第１の支持部材２５０を金属材料で構成した場合には、コイル２１０、３１０からの漏洩電磁界をシールドする効果が得られる。

なお、第１の支持部材２５０は、必ずしも本実施形態のような構造を有している必要はない。第１の支持部材２５０は、送電コイル２１０、ならびに発光素子５００および受光素子５１０の少なくとも一方を支持する構造を有していればよい。

発光素子５００は、＋Ｘ方向に、光を出射するように配置されている。発光素子５００は、送電側通信回路２４０からの指示に従い、信号が重畳された光を出射する。受光素子５１０は、発光素子５００から＋Ｘ方向に離れて位置している。受光素子５１０は、発光素子５００から出射された光（光信号）を受け、受光量に応じた電気信号を出力する。

ここで、発光素子５００および受光素子５１０の構成をより詳細に説明する。本実施形態における発光素子５００は、例えばＬＥＤ素子のように、指向性が比較的低い発光素子であり得る。そのような発光素子は、レーザーダイオードによる発光素子と比較して安価であるため、装置の製造コストを低減することができる。発光素子５００が出射する光の波長は任意に設定してよい。発光素子５００は、例えば、可視光または近赤外の波長域（例えば、７６０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の光を出射する。

受光素子５１０は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子である。受光素子５１０は、光電変換によって受けた光の量に応じた電気信号を出力する。当該電気信号は、受電側通信回路３４０に送られる。受電側通信回路３４０は、受光素子５１０から送られてきた電気信号に基づき、送信された信号を読み取る。

図５Ａは、発光素子５００から出射される光の例を模式的に示す図である。発光素子５００の指向性が低いため、発光素子５００からの光は、＋Ｘ方向に直進する成分だけでなく、＋Ｘ方向の周囲に拡がって伝播する成分（図５Ａにおける幅の広い扇形）を含む。ミラー２６０が設けられていない場合、出射された光の一部（図５Ａにおける幅の狭い扇形）のみが、受光素子５１０に入射する。受光素子５１０に入射しない光は損失するため、通信に寄与しない。発光素子５００から受光素子５１０までの距離が離れるほど、光が大きく拡がるため、受光素子５１０に到達する光のエネルギは低下する。その結果、通信可能な距離が短くなるという課題が生じる。

この課題を解決するため、本実施形態では、固定筐体２５０にミラー２６０が設けられている。

図５Ｂは、本実施形態におけるミラー２６０の作用を模式的に示す図である。図示されるように、ミラー２６０は、発光素子５００から＋Ｘ方向の周囲に拡がった光の少なくとも一部を反射して受光素子５１０に導く。このため、ミラー２６０が配置されていない場合には損失する光も、受光素子５１０に入射させることができる。このような構成により、受光素子５１０に入射する光の量を、ミラー２６０を設けない場合よりも増加させることができる。これにより、通信可能な距離を長くしたり、発光素子５００に供給する電力を低減したりすることができる。

ミラー２６０の反射面は、発光素子５００から出射される光の波長について、比較的高い反射率を有する材料によって構成される。例えば、ミラー２６０は、当該波長の光について、９０％以上の反射率を有する材料で構成され得る。第１の支持部材２５０の内壁面が反射率の高い金属で形成されている場合、その表面自体をミラー２６０として用いてもよい。発光素子５００から出射する光が赤外線である場合、ミラー２６０は、例えば赤外線反射フィルムまたは赤外線反射塗料によって形成され得る。

図６Ａおよび図６Ｂは、ミラー２６０、発光素子５００、および受光素子５１０の配置関係を説明するための図である。図６Ａは、発光素子５００と受光素子５１０とが最も離れた状態を示している。図６Ｂは、可動筐体３５０が移動することによって発光素子５００と受光素子５１０とが図６Ａに示す状態よりも近づいた状態を示している。図６Ａおよび図６Ｂにおいては、わかり易さのため、送電コイル２１０および受電コイル３１０の図示は省略されている。図６Ａおよび図６Ｂからわかるように、可動筐体３５０が＋Ｘ方向に移動すると、ミラー２６０における反射点（破線楕円で囲まれた箇所）が、＋Ｘ方向にシフトする。

本実施形態におけるアクチュエータは、可動筐体３５０を移動させることにより、発光素子５００と受光素子５１０との間隔を、最小値Ｌｍｉｎから最大値Ｌｍａｘまでの範囲内で変化させる。この可動範囲内で、常にミラー２６０による光の反射を生じさせるために、本実施形態におけるミラー２６０の反射面のＸ方向におけるサイズは、（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／２以上である。さらに、ミラー２６０の反射面の少なくとも一部が、受光素子５１０から発光素子５００の方向に距離Ｌｍａｘ／２だけ離れた平面Ｐ１と、受光素子５１０から発光素子５００の方向に距離Ｌｍｉｎ／２だけ離れた平面Ｐ２との間に位置している。これにより、発光素子５００が受光素子５１０に最も近づいた状態から、最も離れた状態に至る全ての状態で、光利用効率の向上を実現することができる。なお、上記の条件が厳密に満たされていなくてもよい。発光素子５００および受光素子５１０の位置関係が逆の場合も、全く同じ考え方で、ミラー２６０の配置および寸法を設計すればよい。

次に、図７Ａから７Ｅを参照しながら、ミラー２６０の配置の他の例を説明する。これらの図において、矢印は、光が反射されることを表している。

図７Ａは、２つのミラー２６０が、固定筐体２５０における２つの壁面２５０ｄ、２５０ｅにそれぞれ設けられている例を示している。発光素子５００から出射された光の一部は、２箇所に設けられたミラー２６０によって反射され、受光素子５１０に入射する。これにより、図４Ｃに示す例と比較して、反射によって受光素子５１０に入射する光の量が約２倍に増加する。なお、ミラー２６０が設けられる２つの壁面は、第４の壁面２５０ｄおよび第５の壁面２５０ｅに限られない。第１から第５の壁面２５０ａ〜２５０ｅから選択された２つの壁面にミラー２６０が設けられていれば、同様の効果が得られる。

図７Ｂは、３つのミラー２６０が、固定筐体２５０における３つの壁面２５０ｃ、２５０ｄ、２５０ｅにそれぞれ設けられている例を示している。発光素子５００から出射された光の一部は、３箇所に設けられたミラー２６０によって反射され、受光素子５１０に入射する。これにより、図４Ｃに示す例と比較して、反射によって受光素子５１０に入射する光の量が約３倍に増加する。なお、ミラー２６０が設けられる３つの壁面は、第３の壁面２５０ｃ、第４の壁面２５０ｄ、および第５の壁面２５０ｅに限られない。第１から第５の壁面２５０ａ〜２５０ｅから選択された３つの壁面にミラー２６０が設けられていれば、同様の効果が得られる。

図７Ａおよび図７Ｂに示す例のように、無線電力伝送装置１００は、複数のミラー２６０を備えていてもよい。複数のミラー２６０は、第２から第５の壁面２５０ｂ〜２５０ｅのうちの少なくとも２つに設けられる。ミラー２６０の数に応じて、光のロスの低減効果を向上させることができる。

図７Ｃは、ミラー２６０が、送電コイル２１０を支持する第２の壁面２５０ｂに設けられている例を示している。この例では、送電コイル２１０の表面に、誘電体材料によって反射面が形成されたミラー２６０が設けられている。金属ではなく誘電体材料を用いてミラー２６０を形成することにより、発熱および電力伝送との干渉を抑制することができる。

図７Ｄは、ミラー２６０が曲面形状の反射面を有する例を示している。ミラー２６０において、ＹＺ面に平行な断面の曲率は、反射面上の広い範囲にわたって、反射光が受光素子５１０に到達するように設計される。反射面を曲面形状にすることにより、より多くの光を受光素子５１０に入射させることができる。

図７Ｅは、ミラー２６０が２つの壁面２５０ｃ、２５０ｅに跨って設けられている例を示している。この例でも、ミラー２６０の反射面は、曲面形状を有している。このため、平面形状を有するミラーを用いた場合と比較して、光の利用効率を高めることができる。なお、ミラー２６０は、第２から第５の壁面２５０ｂ〜２６０ｅのうちの少なくとも２つの壁面に跨って設けられ得る。例えば、第４の壁面２５０ｄと、第３の壁面２５０ｅとに跨って曲面形状の反射面を有するミラー２６０が設けられていてもよい。あるいは、ミラー２６０が３つの壁面（例えば、第４の壁面２５０ｄ、第３の壁面２５０ｃ、および第５の壁面２５０ｅ）に跨って設けられていてもよい。前述のように、第２の壁面２５０ｂにミラー２６０を設ける場合は、そのミラー２６０は誘電体材料によって形成される。

図７Ａから図７Ｅに示すようにミラー２６０を構成することにより、発光素子５００から出射する光のエネルギのロスをさらに低減させることができる。このため、通信品質をさらに高め、通信に必要な発光素子５００への電力供給量をさらに低減することが可能である。

上述の説明では、主に受電装置３００から送電装置２００への一方向性の通信が行われる場合を想定した。全く同じ原理によって送電装置２００から受電装置３００への通信も行われ得る。その場合、固定筐体２５０に発光素子５００を配置し、可動筐体３５０に受光素子５１０を配置すればよい。本実施形態の無線電力伝送装置１００は、送電装置２００および受電装置３００の間で双方向性通信を行うことも可能である。以下、双方向性通信を行うための構成の例を説明する。

図８は、双方向性通信を行う無線電力伝送装置１００の構成の一部を模式的に示す図である。この図において、送電コイル２１０および受電コイル３１０の図示は省略されている。図８に示すミラー２６０の配置は、図７Ａに示す配置に対応しているが、他の配置であってもよい。

この例では、第１の支持部材２５０は、発光素子５００ａおよび受光素子５１０ｂを支持している。発光素子５００ａおよび受光素子５１０ｂは、隙間を隔ててＹ方向に隣り合っている。第２の支持部材２５０は、発光素子５００ｂおよび受光素子５１０ａを支持している。発光素子５００ｂおよび受光素子５１０ａは、隙間を隔ててＹ方向に隣り合っている。受光素子５１０ａは、発光素子５００ａから−Ｘ方向（第１の方向）に離れて位置している。受光素子５１０ｂは、発光素子５００ｂから＋Ｘ方向（第１の方向の逆方向）に離れて位置している。

２つの発光素子５００ａ、５００ｂからは、異なる信号（情報）を含む光が出射される。発光素子５００ａ（第１の発光素子）は、送電側通信回路２４０（図３）からの指示に従い、負荷５０を制御するための信号が重畳された光を−Ｘ方向に出射する。この光は、受電側の受光素子５１０ａ（第１の受光素子）によって検出される。一方、発光素子５００ｂ（第２の発光素子）は、受電側通信回路３４０からの指示に従い、例えば送信された信号に対する応答信号が重畳された光を＋Ｘ方向に出射する。この光は、送電側の受光素子５１０ｂ（第２の受光素子）によって検出される。発光素子５００ａ、５００ｂから出射される光の波長域は、同一でもよいし、異なっていてもよい。

ミラー２６０は、発光素子５００ａから−Ｘ方向の周囲に拡がって出射された光の一部を反射して受光素子５１０ａに導く。さらに、ミラー２６０は、発光素子５００ｂから＋Ｘ方向の周囲に拡がって出射された光の一部を反射して受光素子５１０ｂに導く。これにより、双方向通信が実現される。

図８に示す例では、第１の支持部材２５０は、発光素子５００ａおよび受光素子５１０ｂの間に、反射防止材５２０を有する。この反射防止材５２０は、発光素子５００ｂから出射される光の反射を抑制する。同様に、第２の支持部材３５０は、受光素子５１０ａおよび発光素子５００ｂの間に、反射防止材５２０を有する。この反射防止材５２０は、発光素子５００ａから出射される光の反射を抑制する。

図９は、反射防止材５２０の効果を説明するための図である。図９は、反射防止材５２０が設けられていない状態の無線電力伝送装置１００を示している。反射防止材５２０が設けられていない場合、固定筐体２５０の内部で不要な反射が発生し得る。例えば、固定筐体２５０における発光素子５００ａから放射された光の一部が、可動筐体３５０における発光素子５００ｂと受光素子５１０ａとの間の領域で反射し得る（図９における点線矢印）。この光が受光素子５１０ｂに入射すると、信号の誤検知を引き起こす。この信号の誤検知は、可動筐体３５０における発光素子５００ｂから放射された光についても同様に生じ得る。信号の誤検知は、他にも、可動筐体３５０における発光素子５００ｂから放射され、一方のミラー２６０で反射され、固定筐体２５０における発光素子５００ａと受光素子５１０ｂとの間の領域で反射され、さらに他方のミラー２６０で反射されて受光素子５１０ａに入射する光によっても生じ得る。図８に示すように２つの反射防止材５２０を設けることにより、このような信号の誤検知を引き起こす光の反射を抑制することができる。

各反射防止材５２０は、発光素子５００ａおよび／または発光素子５００ｂから出射される光に対して低い反射率（例えば、２０％以下）を有する材料によって形成される。例えば、各支持部材を、光を吸収する材料で構成したり、光を乱反射する荒い表面に加工したりすることにより、反射防止材５２０を実現できる。このように、反射防止材５２０は、支持部材から明確に区別できる素子である必要はない。反射防止材５２０は、図８に示す２箇所のうちの１箇所にのみ設けられていてもよいし、さらに他の箇所に設けられていてもよい。例えば、第１の支持部材２５０において発光素子５００ａおよび受光素子５１０ｂが設けられた面の全体を反射防止材５２０として機能させてもよい。同様に、第２の支持部材３５０において発光素子５００ｂおよび受光素子５１０ａが設けられた面の全体を反射防止材５２０として機能させてもよい。

次に、本実施形態の無線電力伝送装置（電動装置）１００のより詳細な構成の例を説明する。

図１０Ａから図１０Ｃは、無線電力伝送装置１００のより詳細な構造の例を示している。図１０Ａは、無線電力伝送装置１００を−Ｙ方向から見たときの構造を示している。図１０Ｂは、無線電力伝送装置１００を＋Ｚ方向から見たときの構造を示している。図１０Ｃは、無線電力伝送装置１００を＋Ｘ方向から見たときの構造を示している。ここでは、可動筐体３５０に発光素子５００が配置され、固定筐体２５０に受光素子５１０が配置されている場合を想定する。この無線電力伝送装置１００は、可動筐体３５０を移動させるアクチュエータ４０も備えている。

本実施形態におけるアクチュエータ４０は、可動筐体３５０と接続可能な構造を有する。より具体的には、アクチュエータ４０は、モータ４１、タイミングベルト４２、およびボールネジ４３を備えるリニアアクチュエータ（直動機構）である。可動筐体３５０は、ボールネジ４３に連結される。モータ４１が回転することにより、タイミングベルト４２およびボールネジ４３を介して可動筐体３５０をＸ方向に移動させることができる。アクチュエータ４０は、このような構造以外にも、例えばモータとラックアンドピニオンとを用いて同様の機能を実現してもよい。アクチュエータ４０は特定の構造に限定されず、任意の構造を有していてよい。

図１１は、無線電力伝送装置（電動装置）１００のより詳細な構成の例を示すブロック図である。この例では、整流回路３２０から出力された直流電力がアクチュエータ４０に供給される。この電力を用いて、アクチュエータ４０は、受電装置３００の筐体を移動させる。

送電装置２００は、送電コイル２１０と、インバータ回路２２０と、パルス出力回路２３０ａと、送電制御回路２３０ｂと、送電側通信回路２４０とを有している。図１１では、送電側通信回路２４０に接続され得る発光素子および受光素子の記載は省略されている。

インバータ回路２２０は、外部の電源１０から供給された直流電力を交流電力に変換して送電コイル２１０に送る。パルス出力回路２３０ａは、例えばゲートドライバ回路であり、送電制御回路２３０ｂからの指示に応答してインバータ回路２２０における複数のスイッチング素子にパルス信号を供給する。送電制御回路２３０ｂは、例えばマイクロコントローラ（マイコン）などの、メモリとプロセッサとを有する集積回路であり得る。送電制御回路２３０では、メモリに格納されたコンピュータプログラムをプロセッサが実行することにより、パルス出力回路２３０ａの制御を行う。送電側通信回路２４０は、外部のコントローラ２０に接続され、コントローラ２０からの指示に従い、信号の送受信を行う。

受電装置３００は、受電コイル３１０と、整流回路３２０と、受電制御回路３３０と、受電側通信回路３４０とを有している。整流回路３２０は、受電コイル３１０が送電コイル２１０から受け取った交流電力を整流してアクチュエータ４０および負荷５０に供給する。整流回路３２０は、例えば単相全波整流回路または単相半波整流回路等の公知の整流回路である。整流回路３２０は、受電コイル３１０から出力された交流電力を直流電力に変換して出力する。受電制御回路３３０は、受電側通信回路３４０による通信を制御する。受電制御回路３３０は、例えば、整流回路３２０から負荷５０に供給される電圧の値を測定し、その値を示すデータを、受電側通信回路３４０に送信させる。そのデータは、例えば負荷５０に供給される電圧を一定にするフィードバック制御に用いられ得る。

負荷５０は、この例では、蓄電装置３１と、動力装置３２とを有する。蓄電装置３１は、二次電池またはキャパシタであり、供給された電力を蓄える。動力装置３２は、１つまたは複数のモータを含む。蓄電装置３１は、不要であれば省略してもよい。負荷５０は、例えばロボットアームの先端に接続されるハンド（エンドエフェクタ）であり得るが、他の装置であってもよい。例えば、監視カメラの回転部に搭載されたＣＣＤカメラまたは照明装置等であってもよい。

送電側通信回路２４０は、コントローラ２０からの指示に従い、必要な信号を受電側通信回路３４０に送信する。そのような信号は、例えば動力装置３２および／またはアクチュエータ４０を制御するための制御信号であり得る。

受電側通信回路３４０は、送電側通信回路２４０に、電力伝送に必要な情報を送信し得る。そのような情報は、例えば負荷５０に供給される電力または電圧の値を示す情報であり得る。その情報を受けて、送電制御回路２３０ｂは、例えば一定の電圧が負荷５０に供給されるように維持するフィードバック制御を行う。

送電側通信回路２４０および受電側通信回路３４０の間の通信は、例えば振幅変調または無線ＬＡＮなどの公知の方法で行うことができる。しかし、本実施形態においては、前述した発光素子および受光素子を用いた光通信によって行うことができる。

図１２は、送電コイル２１０および受電コイル３１０の等価回路を示す図である。図１１には示されていないが、送電コイル２１０は、キャパシタと共に共振回路を構成する。受電コイル３１０も同様に、キャパシタと共に共振回路を構成する。各共振回路は、直列共振回路に限らず、並列共振回路であってもよい。

コイル２１０ａ、３１０ａは、例えば、回路基板上に形成された平面コイルもしくは積層コイル、または、銅線、リッツ線、もしくはツイスト線などを用いた巻き線コイルであり得る。各キャパシタには、例えばチップ形状またはリード形状を有するあらゆるタイプのキャパシタを利用できる。空気を介した２配線間の容量を各キャパシタとして機能させることも可能である。各コイルが有する自己共振特性をこれらのキャパシタの代わりに用いてもよい。

共振回路の共振周波数ｆ₀は、典型的には、電力伝送時の伝送周波数ｆに一致するように設定される。共振回路の各々の共振周波数ｆ₀は、伝送周波数ｆに厳密に一致していなくてもよい。共振周波数ｆ₀は、例えば、伝送周波数ｆの５０〜１５０％程度の範囲内の値に設定されていてもよい。電力伝送の周波数ｆは、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、より好ましくは２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚに設定され得る。

直流電源１０は、例えば、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）電源、高容量のキャパシタ（例えば電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器などの任意の電源であってよい。無線電力伝送装置１００が電源１０を含んでいてもよい。

図１３Ａは、インバータ回路２２０の構成例を示す図である。インバータ回路２２０は、パルス出力回路２３０ａから供給されたパルス信号に応じて導通／非導通の状態を変化させる複数のスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４を有する。各スイッチング素子の導通／非導通の状態を変化させることにより、入力された直流電力を交流電力に変換することができる。図１３Ａに示す例では、４つのスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４を含むフルブリッジ型のインバータ回路が用いられている。この例では、各スイッチング素子はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他の種類のスイッチング素子を用いてもよい。

図１３Ａに示す例では、４つのスイッチング素子Ｓ₁〜Ｓ₄のうち、スイッチング素子Ｓ₁およびＳ₄（第１スイッチング素子対と称する。）は、供給された直流電圧と同じ極性の電圧を導通時に出力する。一方、スイッチング素子Ｓ₂およびＳ₃（第２スイッチング素子対と称する。）は、供給された直流電圧と逆の極性の電圧を導通時に出力する。パルス出力回路２３０ａは、制御回路２３０ｂからの指示に従い、４つのスイッチング素子Ｓ₁〜Ｓ₄のゲートにパルス信号を供給する。この際、第１スイッチング素子対（Ｓ₁およびＳ₄）に供給する２つのパルス信号の位相差、および第２スイッチング素子対（Ｓ₂およびＳ₃）に供給する２つのパルス信号の位相差を調整することにより、出力される電圧の振幅を制御することができる。

図１３Ｂは、インバータ回路２２０の他の構成例を示す図である。この例におけるインバータ回路２２０は、ハーフブリッジ型のインバータ回路である。ハーフブリッジ型のインバータ回路を用いる場合には、前述の位相制御は適用できない。この場合には、各スイッチング素子に入力されるパルス信号のデューティ比を制御することによって出力電圧の振幅を制御できる。

図１３Ｂに示すインバータ回路２２０は、２つのスイッチング素子Ｓ₁、Ｓ₂と２つのキャパシタとを含むハーフブリッジ型のインバータ回路である。２つのスイッチング素子Ｓ₁、Ｓ₂と、２つのキャパシタＣ₁、Ｃ₂とは、並列に接続されている。送電アンテナ１２の一端は２つのスイッチング素子Ｓ₁、Ｓ₂の間の点に接続され、他端は２つのキャパシタＣ₁、Ｃ₂の間の点に接続されている。

パルス出力回路２３０ａおよび送電制御回路２３０ｂは、スイッチング素子Ｓ₁、Ｓ₂を交互にオンにするように、パルス信号を各スイッチング素子に供給する。これにより、直流電力が交流電力に変換される。

この例では、パルス信号のデューティ比（即ち、１周期のうち、オンにする期間の割合）を調整することにより、出力電圧Ｖの出力時間比（即ち、１周期のうち、ゼロではない値をとる期間の割合）を調整できる。これにより、送電コイル２１０に入力される交流電力の電圧の振幅を調整することができる。このようなデューティ制御は、図１３Ａに示すようなフルブリッジ型のインバータ回路を用いた場合も同様に適用できる。

図１４は、整流回路３２０の構成例を模式的に示す図である。この例では、整流回路３２０は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを含む全波整流回路である。整流回路３２０は、他の整流器の構成を有していてもよい。整流回路３２０は、受け取った交流エネルギを負荷５０が利用可能な直流エネルギに変換して出力する。

本実施形態によれば、送電装置２００および受電装置３００の間の可動部で、非接触で電力伝送および通信が行われる。このため、電力伝送および通信に必要なケーブルを排除することができる。その結果、ケーブルの劣化または断線の問題を解決することができる。さらに、光による通信が行われるため、電力伝送中に、エンドエフェクタを制御するための信号のような比較的大きいデータも高い伝送レートで送信することができる。

（実施形態２）
次に、本開示の第２の実施形態を説明する。本実施形態は、受電コイル３１０を支持する支持部材３５０が、直動機構ではなく回転機構によって駆動される点で、実施形態１とは異なっている。本実施形態における無線電力伝送装置は、例えばロボットの関節部または監視カメラの回転部に使用され得る。以下、実施形態１と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。

本実施形態の無線電力伝送装置１００も、図３および図１１に示す構成を有する。本実施形態では、各支持部材２５０、３５０、およびアクチュエータ４０の構造および動作が実施形態１とは異なっている。

図１５Ａは、本実施形態における無線電力伝送装置１００Ａの構成の一部を模式的に示す図である。図１５Ｂは、図１５Ａにおける無線電力伝送装置１００ＡのＸＺ面に平行な断面を示す図である。本実施形態における無線電力伝送装置１００Ａは、Ｚ方向に垂直なコイル面を有する送電コイル２１０と、送電コイル２１０に対向する受電コイル３１０と、送電コイル２１０を支持する第１の支持部材（固定筐体）２５０と、受電コイル３１０を支持する第２の支持部材（可動筐体）３５０とを備えている。

固定筐体２５０および可動筐体３５０は、いずれもＺ方向に平行な中心軸をもつ円筒に近い形状を有している。各筐体は、中心軸から半径Ｒ₁の位置に内周面をもち、中心軸から半径Ｒ₂の位置に外周面をもつ。各筐体はまた、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する。筐体２５０、３５０の中心軸は一致している。固定筐体２５０の内周面によって囲まれた空間は、上面側（＋Ｚ側）において開放され、底面側（−Ｚ側）においては開放されていない。可動筐体３５０の内周面によって囲まれた空間は、底面側（−Ｚ側）において開放され、上面側（＋Ｚ側）においては開放されていない。

可動筐体３５０は、不図示のアクチュエータに取り付けて使用される。本実施形態におけるアクチュエータは、例えば、可動筐体３５０に接続されるモータを含む。アクチュエータは、可動筐体３５０を、送電コイル２１０および受電コイル３１０の中心を通りＺ方向に平行な軸（中心軸）の周りに回転させる。回転状態によらず、送電コイル２１０と受電コイル３１０との間の対向状態は維持される。また、回転状態によらず、発光素子５００と受光素子５１０との距離は一定に維持される。

発光素子５００は、固定筐体２５０における中心軸の近傍の底面によって支持されている。受光素子５１０は、可動筐体３５０における中心軸の近傍の上面によって支持されている。受光素子５１０は、発光素子５００から＋Ｚ方向に離れて位置している。発光素子５００は、光を＋Ｚ方向に出射する。より具体的には、発光素子５００は、図１１に示すコントローラ２０、および送電側通信回路２４０からの指示に従い、光信号を出射する。受光素子５１０は、その光信号を受け、受光量に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、受電側通信回路３４０によって読み取られ、動力装置３２（例えばエンドエフェクタ）および／またはアクチュエータ４０に送られる。

本実施形態では、固定筐体２５０は発光素子５００を支持し、可動筐体３５０は受光素子５１０を支持しているが、発光素子５００と受光素子５１０との位置関係は逆でもよい。また、双方向性の通信を行うために、固定筐体２５０および可動筐体３５０のそれぞれが、発光素子５００および受光素子５１０を備えていてもよい。

本実施形態における無線電力伝送装置１００Ａは、さらに、固定筐体２５０および可動筐体３５０の両方の内周面に設けられたミラー２６０を有する。ミラー２６０の反射面を構成する材料は、実施形態１において説明した材料と同様である。可動筐体３５０の内周面が反射率の高い金属である場合は、その内周面をミラー２６０として機能させることもできる。ミラー２６０は、発光素子５００から＋Ｚ方向の周囲に拡がって出射された光の少なくとも一部を反射して受光素子５１０に導く。これにより、光エネルギのロスを低減し、光利用効率を向上させることができる。

本実施形態では、ミラー２６０は、固定筐体２５０および可動筐体３５０両方の壁面の内側に設けられているが、このような構造に限定されない。固定筐体２５０および可動筐体３５０の構造によっては、一方の壁面の内側の少なくとも一部に設けられていてもよい。

以上のように、本開示は、以下の項目に記載の無線電力伝送装置を含む。

[項目１]
第１の方向に延びた第１のコイル面を有する第１のコイルと、
前記第１の方向におけるサイズが前記第１のコイル面の前記第１の方向におけるサイズよりも小さい第２のコイル面を有し、前記第１のコイルに対向し、前記第１のコイルとの間で無線電力伝送を行う第２のコイルと、
前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、
前記第２のコイルを支持する第２の支持部材であって、前記第２の支持部材を前記第１の支持部材に対して前記第１の方向に移動させるアクチュエータに取り付けることが可能な第２の支持部材と、
前記第１および第２の支持部材の一方に支持され、前記第１の方向に向けて光信号を出射する発光素子と、
前記第１および第２の支持部材の他方に支持され、前記発光素子から前記第１の方向に離れて位置し、前記発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーと、
を備える無線電力伝送装置。

[項目２]
前記ミラーは、前記第１の支持部材に設けられている、項目１に記載の無線電力伝送装置。

[項目３]
前記第１の支持部材は、前記第１および第２のコイル、前記発光素子、および前記受光素子を囲む複数の壁面を有する筐体であり、
前記複数の壁面は、
前記発光素子または前記受光素子を支持する第１の壁面と、
前記第１の壁面に交差し、前記第１のコイルを支持する第２の壁面と、
を含む、
項目１または２に記載の無線電力伝送装置。

[項目４]
前記複数の壁面は、さらに、
前記第２の壁面に対向する第３の壁面と、
前記第１から第３の壁面に交差する第４の壁面と、
前記第４の壁面に対向する第５の壁面と、
を有し、
前記ミラーは、前記第２から第５の壁面の少なくとも１つに設けられている、
項目３に記載の無線電力伝送装置。

[項目５]
前記ミラーは、前記第２の壁面に設けられ、誘電体材料によって形成されている、項目４に記載の無線電力伝送装置。

[項目６]
前記ミラーは、前記第４および第５の壁面の少なくとも一方と、前記第３の壁面とに跨って設けられ、曲面形状の反射面を有する、項目４または５に記載の無線電力伝送装置。

[項目７]
前記少なくとも１つのミラーは、複数のミラーであり、
前記複数のミラーは、前記第２から第５の壁面のうちの少なくとも２つに設けられている、項目４から６のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目８]
前記アクチュエータは、前記発光素子と前記受光素子との間隔を、最小値Ｌ_minから最大値Ｌ_maxまでの範囲内で変化させ、
前記ミラーの反射面の、前記第１の方向におけるサイズは、（Ｌ_max−Ｌ_min）／２以上であり、
前記反射面の少なくとも一部は、前記受光素子から前記発光素子に向かう方向に距離Ｌ_max／２だけ離れた平面と、前記受光素子から前記発光素子に向かう方向に距離Ｌ_min／２だけ離れた平面との間に位置している、項目１から７のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目９]
前記ミラーの反射面は、前記発光素子から出射される光の波長について、９０％以上の反射率を有する材料で形成されている、項目１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目１０]
前記発光素子は、前記第１の支持部材に支持された第１の発光素子であり、
前記受光素子は、前記第２の支持部材に支持された第１の受光素子であり、
前記第２の支持部材に支持され、前記第１の方向の逆方向に向けて他の光信号を出射する第２の発光素子と、
前記第１の支持部材に支持され、前記第２の発光素子から前記第１の方向の逆方向に離れて位置し、前記第２の発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する第２の受光素子と、
をさらに備え、
前記少なくとも１つのミラーは、さらに、前記第２の発光素子から前記第１の方向の逆方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記第２の受光素子に導く、項目１から９のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目１１]
前記第１の支持部材は、前記第１の発光素子および前記第２の受光素子の間に、前記第２の発光素子から出射される光の反射を抑制する反射防止材を有する、項目１０に記載の無線電力伝送装置。

[項目１２]
前記第２の支持部材は、前記第１の受光素子および前記第２の発光素子の間に、前記第１の発光素子から出射される光の反射を抑制する反射防止材を有する、項目１０または１１に記載の無線電力伝送装置。

[項目１３]
前記アクチュエータをさらに備える、項目１から１２のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目１４]
前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルに交流電力を供給するインバータ回路と、
前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルが受け取った前記交流電力を整流して負荷に供給する整流回路と、
をさらに備える、項目１から１３のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目１５]
前記発光素子に接続され、送信する信号に応じて前記発光素子の発光を制御する第１の通信回路と、
前記受光素子に接続され、前記受光素子から出力された前記電気信号に基づいて、送信された前記信号を読み取る第２の通信回路と、
をさらに備える、項目１から１４のいずれかに記載の無線電力伝送装置。

[項目１６]
第１の方向に垂直なコイル面を有する第１のコイルと、
前記第１のコイルに対向し、前記第１のコイルとの間で無線電力伝送を行う第２のコイルと、
前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、
前記第２のコイルを支持する第２の支持部材であって、前記第２の支持部材を、前記第２のコイルの中心を通り前記第１の方向に平行な軸の周りに回転させるアクチュエータに取り付けることが可能な第２の支持部材と、
前記第１および第２の支持部材の一方において、前記軸の近傍に設けられ、前記第１の方向に向けて光信号を出射する発光素子と、
前記第１および第２の支持部材の他方において、前記軸の近傍に設けられ、前記発光素子から前記第１の方向に離れて位置し、前記発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーと、
を備える無線電力伝送装置。

本開示の技術は、例えば工場などで用いられるロボットまたは監視カメラなどの電動装置に利用できる。

１０電源
２０コントローラ
３０エンドエフェクタ
４０アクチュエータ
４１モータ
４２タイミングベルト
４３ボールネジ
５０負荷
６０送電回路
７０受電回路
８０アーム
１００無線電力伝送装置
２００送電装置
２１０送電コイル（第１のコイル）
２２０インバータ回路
２３０ａパルス出力回路
２３０ｂ送電制御回路
２４０送電側通信回路
２５０固定筐体（第１の支持部材）
２６０ミラー
３００受電装置
３１０受電コイル（第２のコイル）
３２０整流回路
３３０受電制御回路
３４０受電側通信回路
３５０可動筐体（第２の支持部材）
５００、５００ａ、５００ｂ発光素子
５１０、５１０ａ、５１０ｂ受光素子
５２０反射防止材

Claims

第１の方向に延びた第１のコイル面を有する第１のコイルと、
前記第１の方向におけるサイズが前記第１のコイル面の前記第１の方向におけるサイズよりも小さい第２のコイル面を有し、前記第１のコイルに対向し、前記第１のコイルとの間で無線電力伝送を行う第２のコイルと、
前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、
前記第２のコイルを支持する第２の支持部材であって、前記第２の支持部材を前記第１の支持部材に対して前記第１の方向に移動させるアクチュエータに取り付けることが可能な第２の支持部材と、
前記第１および第２の支持部材の一方に支持され、前記第１の方向に向けて光信号を出射する発光素子と、
前記第１および第２の支持部材の他方に支持され、前記発光素子から前記第１の方向に離れて位置し、前記発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーと、
を備える無線電力伝送装置。
前記ミラーは、前記第１の支持部材に設けられている、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
前記第１の支持部材は、前記第１および第２のコイル、前記発光素子、および前記受光素子を囲む複数の壁面を有する筐体であり、
前記複数の壁面は、
前記発光素子または前記受光素子を支持する第１の壁面と、
前記第１の壁面に交差し、前記第１のコイルを支持する第２の壁面と、
を含む、
請求項１または２に記載の無線電力伝送装置。
前記複数の壁面は、さらに、
前記第２の壁面に対向する第３の壁面と、
前記第１から第３の壁面に交差する第４の壁面と、
前記第４の壁面に対向する第５の壁面と、
を有し、
前記ミラーは、前記第２から第５の壁面の少なくとも１つに設けられている、
請求項３に記載の無線電力伝送装置。
前記ミラーは、前記第２の壁面に設けられ、誘電体材料によって形成されている、請求項４に記載の無線電力伝送装置。
前記ミラーは、前記第４および第５の壁面の少なくとも一方と、前記第３の壁面とに跨って設けられ、曲面形状の反射面を有する、請求項４または５に記載の無線電力伝送装置。
前記少なくとも１つのミラーは、複数のミラーであり、
前記複数のミラーは、前記第２から第５の壁面のうちの少なくとも２つに設けられている、請求項４から６のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
前記アクチュエータは、前記発光素子と前記受光素子との間隔を、最小値Ｌ_minから最大値Ｌ_maxまでの範囲内で変化させ、
前記ミラーの反射面の、前記第１の方向におけるサイズは、（Ｌ_max−Ｌ_min）／２以上であり、
前記反射面の少なくとも一部は、前記受光素子から前記発光素子に向かう方向に距離Ｌ_max／２だけ離れた平面と、前記受光素子から前記発光素子に向かう方向に距離Ｌ_min／２だけ離れた平面との間に位置している、請求項１から７のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
前記ミラーの反射面は、前記発光素子から出射される光の波長について、９０％以上の反射率を有する材料で形成されている、請求項１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
前記発光素子は、前記第１の支持部材に支持された第１の発光素子であり、
前記受光素子は、前記第２の支持部材に支持された第１の受光素子であり、
前記第２の支持部材に支持され、前記第１の方向の逆方向に向けて他の光信号を出射する第２の発光素子と、
前記第１の支持部材に支持され、前記第２の発光素子から前記第１の方向の逆方向に離れて位置し、前記第２の発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する第２の受光素子と、
をさらに備え、
前記少なくとも１つのミラーは、さらに、前記第２の発光素子から前記第１の方向の逆方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記第２の受光素子に導く、請求項１から９のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
前記第１の支持部材は、前記第１の発光素子および前記第２の受光素子の間に、前記第２の発光素子から出射される光の反射を抑制する反射防止材を有する、請求項１０に記載の無線電力伝送装置。
前記第２の支持部材は、前記第１の受光素子および前記第２の発光素子の間に、前記第１の発光素子から出射される光の反射を抑制する反射防止材を有する、請求項１０または１１に記載の無線電力伝送装置。
前記アクチュエータをさらに備える、請求項１から１２のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルに交流電力を供給するインバータ回路と、
前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルが受け取った前記交流電力を整流して負荷に供給する整流回路と、
をさらに備える、請求項１から１３のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
前記発光素子に接続され、送信する信号に応じて前記発光素子の発光を制御する第１の通信回路と、
前記受光素子に接続され、前記受光素子から出力された前記電気信号に基づいて、送信された前記信号を読み取る第２の通信回路と、
をさらに備える、請求項１から１４のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
第１の方向に垂直なコイル面を有する第１のコイルと、
前記第１のコイルに対向し、前記第１のコイルとの間で無線電力伝送を行う第２のコイルと、
前記第１のコイルを支持する第１の支持部材と、
前記第２のコイルを支持する第２の支持部材であって、前記第２の支持部材を、前記第２のコイルの中心を通り前記第１の方向に平行な軸の周りに回転させるアクチュエータに取り付けることが可能な第２の支持部材と、
前記第１および第２の支持部材の一方において、前記軸の近傍に設けられ、前記第１の方向に向けて光信号を出射する発光素子と、
前記第１および第２の支持部材の他方において、前記軸の近傍に設けられ、前記発光素子から前記第１の方向に離れて位置し、前記発光素子から出射された前記光信号を受け、前記光信号に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記発光素子から前記第１の方向の周囲に拡がって出射された光を反射して前記受光素子に導く少なくとも１つのミラーと、
を備える無線電力伝送装置。