JP2019017174A - 無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ウェアラブル機器を装着した人体への電磁波曝露を低減し、また付近の電子機器へ与える電磁波妨害を低減可能な無線給電システムを提供すること。【解決手段】無線給電システムにおいて、送電装置２は、電力を伝送する複数の搬送周波数を予め定めた周期と順序で周波数遷移させ、送電コイル１１を介して電力を送電する。受電装置（ウェアラブル機器）１は、送電装置２と電磁界共鳴状態を維持しながら、送電装置２と同一の周期と順序で周波数遷移させ、受電コイル２１を介して電力を受電する。その際、周波数遷移させる複数の搬送周波数は、人体への電磁波吸収量が多い周波数、または他の電子機器へ電磁波妨害を与える周波数を除外した周波数範囲に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、送電装置から受電装置へ無線により電力の送受電を行う無線給電システムに関する。

人体に装着して生体情報を計測できるウェアラブルセンサや、映像表示するウェアラブルディスプレイ機器が実現されている。これらウェアラブル機器は小型軽量を求められ、かつ電池交換不要のニーズから二次電池への充電が望ましい。これに関し特許文献１には、着用者が金属アレルギーを起こす恐れがなく、衣服型ウェアラブルデバイスに備えられた二次電池に充電できるワイヤレス給電システムについて記載されている。一方近年、伸縮性のある導電材料が実用化されて、衣類へ金属配線を織り込めるようになり、ウェアラブル機器への適用が予想されている。

特開２０１６−２１３９１５号公報

装着したウェアラブル機器へ無線給電すると、人体への電磁波曝露の懸念があり、情報通信研究機構（ＮＩＣＴ）電磁環境研究室により、放射電磁界強度と電磁波の人体吸収量が研究されている。また医療現場、病院内で生体情報計測用ウェアラブルセンサへの無線給電が行われると、送電放射電磁波が付近の医療用電子機器へ電磁波妨害を与え、電子機器が誤動作する懸念がある。

前記特許文献１では、衣服型ウェアラブルデバイスにはハンガーから給電を行うことを前提としており、無線給電による人体への電磁波曝露や電子機器への電磁波妨害に関しては特に記載されていない。また、その他の従来技術では、人体への電磁波曝露や電子機器への電磁波妨害を低減する無線給電技術については特に提案されていない。

本発明の目的は、ウェアラブル機器を装着した人体への電磁波曝露を低減し、また付近の電子機器へ与える電磁波妨害を低減可能な無線給電システムを提供することである。

本発明に係る無線給電システムは、送電装置から受電装置へ電力を無線で給電する無線給電システムであって、送電装置は、電力を伝送する複数の搬送周波数を予め定めた周期と順序で周波数遷移させ、送電コイルを介して電力を送電し、受電装置は、送電装置と電磁界共鳴状態を維持しながら、送電装置と同一の周期と順序で周波数遷移させ、受電コイルを介して電力を受電することを特徴とする。その際、周波数遷移させる複数の搬送周波数は、人体への電磁波吸収量が多い周波数、または他の電子機器へ電磁波妨害を与える周波数を除外した周波数範囲に設定する。

本発明によれば、人体への電磁波曝露を低減し、付近の電子機器へ与える電磁波妨害を低減可能な無線給電システムを実現できる。

実施例１に係る無線給電システムの構成を示す図。 無線給電周波数の周波数遷移の一例を示す図。 送電動作と受電動作のタイミングチャートを示す図。 ウェアラブル機器１の動作を示すフローチャート。 送電装置２の動作を示すフローチャート。 実施例２に係る無線給電システムの構成を示す図。 無線給電中に電磁波が人体に与える影響を説明する図。 無線給電中に電磁波が電子機器に与える影響を説明する図。 実施例３における送電動作と受電動作のタイミングチャートを示す図。 実施例４に係る無線給電システムの構成を示す図。 ２つの受電コイルを有するウェアラブル機器の例を示す図。 ウェアラブル機器７の動作を示すフローチャート。 送電装置２の動作を示すフローチャート。 実施例４に係る無線給電システムの構成を示す図。 漏洩検出型のウェアラブル機器８の例を示す図。 ウェアラブル機器８の動作を示すフローチャート。 送電装置２の動作を示すフローチャート。 実施例６に係る無線給電システムの構成を示す図。

以下、本発明の無線給電システムの実施形態について図面を用いて説明する。無線給電システムでは、送電装置から受電装置へ無線で電力を送受電するものであるが、受電装置が、人体に装着して使用するウェアラブル機器の場合について説明する。

実施例１では、本発明の無線給電システムの基本構成について説明する。
図１は、実施例１に係る無線給電システムの構成を示す図である。無線給電システムは、送電装置２とウェアラブル機器（受電装置）１を備え、送電装置２からウェアラブル機器１へ電力を供給する。ここにウェアラブル機器１は人体（例えば患者）に装着して、生体情報センサ２５（例えば血圧計や心拍計など）にて生体情報を取得する場合を想定する。

送電装置２において、１１は送電コイル、１２は可変容量ダイオード（バラクタダイオードとも呼ばれる）、１３は周波数シンセサイザ、１４は送電アンプ（ＰＡ）、１５はプログラマブルディバイダ、１６は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１７は送電制御部、１８はバラクタ電圧、１９は負荷変調復調部、２９は基準発振器、３１は送電基準クロック発振器、３３は負荷変調受信データである。

ウェアラブル機器（受電装置）１において、２１は受電コイル、２２は可変容量ダイオード（バラクタダイオード）、２３は整流回路、２４は二次電池、２５は生体情報センサ、２６は受電制御部、２７は負荷変調部、２８は充電スイッチ、３２は受電基準クロック発振器、３４はバラクタ電圧、３５は送信開始データ、３６は負荷抵抗である。

送電装置２は、周波数シンセサイザ１３により電力を伝送する搬送周波数（以下、無線給電周波数）を切り換えながら送電コイル１１から電力を送信する。その際、可変容量ダイオード１２に印加するバラクタ電圧１８を切り換えることで、送電コイル１１の共振周波数を無線給電周波数に追従させる。

一方ウェアラブル機器１は、可変容量ダイオード２２に印加するバラクタ電圧３４を切り換えることで、受電コイル２１の共振周波数を送電装置２から送信される電力の無線給電周波数に追従させる。

このようにして送電コイル１１から受電コイル２１へ電力が無線にて給電され、ウェアラブル機器１の二次電池２４が充電され、生体情報センサ２５が稼動する。その際、無線給電周波数の切り換えに合わせて、送電コイル１１と受電コイル２１の共振周波数を同期して切り換えることで、いわゆる電磁界共鳴現象を利用した伝送効率の高い無線給電を行うものとなっている。電磁界共鳴現象は、電磁誘導、磁界共鳴、磁気結合などとも呼ばれ、以下の実施例では全てこの現象を利用している。

図２は、無線給電周波数の周波数遷移の一例を示す図である。ここでは、無線給電周波数Ｆｒｓの切り換え（Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２・・・Ｆｎ）に対する、送電装置２が持つバラクタ電圧１８及びプログラマブルディバイダ１５の設定値（Ｎ，Ｐ，Ａ）の送電側対応表と、ウェアラブル機器１が持つバラクタ電圧３４の受電側対応表を示す。以下の説明ではこの対応表の数値を用いるが、ここに掲げた値はあくまでも一例である。

送電装置２は初期状態でバラクタ電圧１８が０Ｖであり、この時プログラマブルディバイダ１５に（Ｎ，Ｐ，Ａ）＝（３２，２，６）を設定すると、ＶＣＯ１６は無線給電周波数Ｆｒｓ＝７．０ＭＨｚで発振する（この周波数をＦ０とする）。７．０ＭＨｚの搬送周波数信号は送電アンプ１４で増幅され、送電コイル１１から送電される。

ウェアラブル機器１は初期状態でバラクタ電圧３４が０Ｖであり、受電コイル２１は、無線給電周波数Ｆｒｓ＝７．０ＭＨｚに共振している。送電装置２からの７．０ＭＨｚ搬送波を受信すると、整流回路２３には充電電圧が発生し始める。

後述するように、充電電圧が所定の電圧に達すると、送電装置２は無線給電周波数Ｆｒｓと送電コイル１１の共振周波数を順次Ｆ１，Ｆ２・・・と切り換えて送電コイル１１から送電する。そのために、プログラマブルディバイダ１５の設定値（Ｎ，Ｐ，Ａ）とバラクタ電圧１８を図２に示すように切り換える。一方ウェアラブル機器１でも、受電コイル２１の共振周波数を順次Ｆ１，Ｆ２・・・と切り換えて受電する。そのために、バラクタ電圧３４を図２のように切り換える。バラクタ電圧１８、３４を切り換えることで、可変容量ダイオード１２、２２の容量が変化する。

ここで無線給電周波数Ｆｒｓは、（１）式で与えられる。
Ｆｒｓ＝１／（２π√（Ｌ×（Ｃｐ＋Ｃｖｒ））・・・（１）
ここに、Ｌ：コイルインダクタンス、Ｃｐ：コイル線間容量、Ｃｖｒ：可変容量ダイオード１２，２２の容量である。

図３は、送電動作と受電動作のタイミングチャートを示す図である。ここには、送電装置２の送信電力、負荷変調受信データ３３及びタイミングずれ量と、ウェアラブル機器１の充電電圧、負荷変調データ３５、受信電力及びタイミングずれ量を示す。

送電装置２は、周波数Ｆ０で送電を開始する。ウェアラブル機器１は、周波数Ｆ０の電力を受電し、整流回路２３で整流して発生した二次電池２４に充電する。充電電圧が、生体情報センサ２５が動作可能となる電圧４３（以下、生体センサ動作電圧）に達すると、受電制御部２６は、給電の開始を要求する送信開始データ４４を送電装置２へ送信する。具体的には負荷変調部２７をオン／オフして、送信開始を意味する例えば“０１１００１１１”の負荷変調データ３５を、受電コイル２１と送電コイル１１を介して送電装置２へ送信する。

送電装置２の送電制御部１７はウェアラブル機器１から送信される負荷変調受信データ３３から送信開始データ４４’を受信すると、受信完了した時点でバラクタ電圧を１．２Ｖに変え、無線給電周波数Ｆｒｓと送電コイル１１の共振周波数を７．３ＭＨｚ（Ｆ１）に設定して、送電コイル１１から送電する。

ウェアラブル機器１の受電制御部２６は、送信開始データ４４の送信完了した時点でバラクタ電圧３４を１．２Ｖに変え、受信コイル２１の共振周波数を７．３ＭＨｚへ変更する。これにより、送電装置２とウェアラブル機器１との間で、７．３ＭＨｚ（Ｆ１）の無線給電が行われる。

送電制御部１７及び受電制御部２６は、予め定めた周波数遷移周期Ｔｈｏｐ（例えば２ｓｅｃ）を持ち、Ｔｈｏｐ経過後は、無線給電周波数（共振周波数）を次の周波数Ｆ２（７．１ＭＨｚ）へ変更する。これを各々、Ｔｈｏｐ毎に行うことにより、無線給電状態を維持しながら無線給電周波数を変更（遷移）していく。この動作は、予め定めたｎ番目の周波数Ｆｎ（８．６ＭＨｚ）まで遷移し終わると、再びＦ１からの周波数遷移を繰り返す。このような周波数遷移動作は、「周波数ホッピング」とも呼ばれる。

周波数ホッピングは、２．４ＧＨｚ帯近距離無線通信方式ＩＥＥＥ８０２．１５．１規格（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）とも呼ばれる）で採用されている技術である。免許不要のＩＳＭ帯である２．４ＧＨｚ帯は多くの無線機器が使い、電子レンジも２．４ＧＨｚ帯であるため、電波干渉を回避して通信する必要がある。そこでＢｌｕｅｔｏｏｔｈは、０．６２５ｍｓｅｃ毎に送信周波数を変えて通信することにより、他の無線機器からの干渉を受けにくくしている。

これに対し本実施例では、単一周波数で一定時間の給電を確実に行った上で、後述するように、電磁波吸収が人体に影響を与える周波数や周囲の電子機器に妨害電波となる周波数を避けて、周波数を変更しながら給電継続する。よって、本実施例で用いる周波数ホッピング動作は、目的、用途、効果が本質的に異なるものである。

またＢｌｕｅｔｏｏｈは、マスタースレーブ方式でネットワークを構築した上で、マスターが決めた周波数遷移順序（ホッピングシーケンス）で送受信間が同期して通信する。これに対し本実施例は、送電装置２とウェアラブル機器１間のネットワーク構築手順は不要であり、受電側の整流回路２３で発生する電圧上昇により通信開始するため、通信開始と同期維持方式が異なる。

次に、本実施例の無線給電方式では、送電装置２とウェアラブル機器１は周波数遷移周期Ｔｈｏｐ経過するごとに周波数を切り換えているが、その時間基準として各々のクロック発振器を用いているため、時間経過とともに周波数切り換えタイミングがずれてくることがある。例えば、送電基準クロック発振器３１の周波数偏差が＋１００ｐｐｍ、受電基準クロック発振器３２の周波数偏差が−１００ｐｐｍの時、送信開始点から１０００ｓｅｃ経過すると、送電側は＋０．１ｓｅｃ遅れ、受電側は−０．１ｓｅｃ進む（この現象は周波数ドリフトとも呼ばれる）。周波遷移周期Ｔｈｏｐ＝２ｓｅｃとした時、両者のずれ量は０．１−（−０．１）＝０．２ｓｅｃで、０．２／２＝１０％のタイミングずれとなり、給電効率が低下する。

これを補正するため本実施例では、送電基準クロック発振器３１と受電基準クロック発振器３２のそれぞれの周波数偏差から、両者のタイミングずれ量が許容値（例えば０．２ｓｅｃ＝１０％）に達するまでの時間（同期ずれ補正時間４５）を求めておく。受電制御部２６は、この同期ずれ補正時間４５（例えば１０００ｓｅｃ）が経過したら、負荷変調データ３５により補正用の送信開始データ４４を送信し、送信完了した時点で受電コイルの共振周波数をＦ１に切り換える。

送電制御部１７は、負荷変調受信データ３３から送信開始データ４４’を受信すると、受信完了した時点で無線給電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ１に切り換える。これにより、送電装置２とウェアラブル機器１の間の周波数切り換えタイミングずれを解消させる。この動作を定期的に繰り返すことで、長時間にわたり周波数切り換えタイミングずれを許容値以内に抑え、効率を低下させずに給電動作を継続することができる。

以上述べたウェアラブル機器１と送電装置２の動作をフローチャートを用いて説明する。
図４Ａは、ウェアラブル機器１の動作を示すフローチャートである。
受電制御部２６は、初期状態で受電コイル２１の共振周波数をＦ０に設定する（ステップＳ１０１）。二次電池２４への充電電圧と生体センサ動作電圧４３とを比較し（Ｓ１０２）、充電電圧が生体センサ動作電圧４３より高くなったら、送電装置２へ送信開始データ４４を送信する（Ｓ１０３）。

受電コイル２１の共振周波数をＦ１に設定し（Ｓ１０４）、送電装置２から受電を開始する。以降、周波数遷移周期Ｔｈｏｐの間隔で共振周波数をＦ１からＦｎまで順次周波数遷移させる。この一連の処理は、送電装置２の周波数遷移と同期させた受電処理である（Ｓ１０５）。また受電制御部２６は、周波数遷移を開始してからの受電時間を計測する。

一連の周波数遷移同期受電処理を終了した後、受電制御部２６は、周波数遷移による受電時間が同期ずれ補正時間４５（例えば１０００ｓｅｃ）を経過したかを判定し（Ｓ１０６）、経過したらＳ１０３へ戻り、送電装置２へ同期ずれ補正用の送信開始データ４４を送信する。そして、受電経過時間の計測値をリセットする。同期ずれ補正時間４５が経過していないときはＳ１０５へ戻り、周波数遷移に同期した受電処理を継続する。

図４Ｂは、送電装置２の動作を示すフローチャートである。
送電制御部１７は、初期状態で送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ０に設定する（Ｓ１１１）。この状態で送電装置２は周波数Ｆ０で送電を開始する（Ｓ１１２）。

送電制御部１７は、ウェアラブル機器１から送信開始データ４４’を受信したかを判定し（Ｓ１１３）、受信したら送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ１に設定して送電する（Ｓ１１４）。

以降、周波数遷移周期Ｔｈｏｐの間隔で送電周波数と共振周波数をＦ１からＦｎまで順次周波数遷移させて送電する。この一連の処理は、ウェアラブル機器１の周波数遷移と同期させた送電処理である（Ｓ１１５）。

一連の周波数遷移同期送電処理を終了した後、送電制御部１７は、ウェアラブル機器１から同期ずれ補正用の送信開始データ４４’を受信したかを判定し（Ｓ１１６）、受信したらＳ１１４へ戻り、送電周波数と送電コイル１１の共振周波数を開始点Ｆ１に切り換えて送電する。受信していないときはＳ１１５へ戻り、周波数遷移に同期した送電処理を継続する。

上記の処理により、送電装置２からの周波数遷移の開始点（周波数Ｆ１）を補正し、これに合わせてウェアラブル機器１の周波数遷移の開始点を補正することができる。なお、補正要否の判定（Ｓ１０６）は周波数遷移の途中で行うことも可能であり、また補正後に開始する周波数はＦ１以外であってもよい。

本実施例によれば、無線給電する際に、周波数を変更しながら給電する周波数遷移動作（周波数ホッピング動作）を採用することで、人体や付近の電子機器に影響を与える周波数を避けることができる。その際、送電装置とウェアラブル機器は所定の周期Ｔｈｏｐで所定の順に独立して周波数の切り換えを行うので、無線給電システムの構成が簡略化できる。また、送電装置とウェアラブル機器の周波数切り換えタイミングに同期ずれが発生しても、これを定期的に補正する機能を設けたので、効率を低下させずに無線給電を継続することができる。

実施例２では、周波数遷移動作により人体や付近の電子機器に影響を与える周波数を避けることについて説明する。

図５は、実施例２に係る無線給電システムの構成を示す図である。ここでは、病室内で患者が装着しているウェアラブル機器（受電装置）に無線給電を行う場合を想定する。

病室内のベッド５には、送電装置２をベッドシーツと一体化したベッドシーツ一体型送電装置４が敷かれている。ベッドシーツ一体型送電装置４は、特に送電コイル１１には伸縮性導電材料を用いて構成している。衣類一体型ウェアラブル機器３は、ウェアラブル機器１を衣類（例パジャマ）と一体化し、特に受電コイル２１には伸縮性導電材料を用いて構成している。

衣類一体型ウェアラブル機器３は例えば患者が着用し、生体情報センサ２５により血圧や心拍数などを計測する。患者がベッド５に横たわっている間、衣類一体型ウェアラブル機器３にはベッドシーツ一体型送電装置４から無線給電が行われ、衣類一体型ウェアラブル機器３内の二次電池２４に充電される。

このような無線給電システムを病院内で使用する場合、ベッドシーツ一体型送電装置４付近には医療用電子機器６が稼働している。よって、ベッドシーツ一体型送電装置４から無線給電の際に放射される電磁波が、患者及び医療用電子機器６に与える影響について考慮する必要がある。

図６は、無線給電中に電磁波が人体に与える影響を説明する図である。
（ａ）は人体の電磁波吸収特性の周波数依存性を示す。人体の電磁波吸収特性は、３０ＭＨｚから増加して８０ＭＨｚ付近が吸収しやすく、以降３００ＭＨｚで吸収量が減少する。また人体への吸収量防護基準は、３０ＭＨｚから３００ＭＨｚは平坦であり、０．０８Ｗ／ｋｇが上限吸収量と定められている。

（ｂ）は従来方式でウェアラブル機器へ無線給電した場合を示す。従来方式では、或る単一周波数で常時無線給電するため、吸収量の多い周波数（８０ＭＨｚ付近）の場合、人体へ吸収されやすくなる。

（ｃ）は本実施例の場合で、吸収量の多い８０ＭＨｚ付近を避けて、例えば３０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚの範囲、及び２００ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲で周波数遷移させることで、人体への曝露を低減できる。

図７は、無線給電中に電磁波が電子機器に与える影響を説明する図である。
（ａ）は、一般の電子機器における妨害電磁波の排除能力を示す図である。点線は、妨害排除能力（電磁波強度の許容上限値）の周波数依存性を示している。低周波領域では電子機器内のクロック周波数に近いことが多く、妨害を受けやすい（排除能力が低く誤動作しやすい）。一方、高周波領域では内部回路の感度が低く、妨害を受けにくい（排除能力が高く誤動作しにくい）。

（ｂ）は従来方式で無線給電した場合を示す。低周波領域の或る単一周波数で給電した場合、電子機器が受ける妨害電磁波強度は、許容上限値を超えて常時妨害を受けることになる。

（ｃ）は本実施例の場合を示す。時刻Ｔ１〜時刻Ｔｎへ時間の経過と共に、周波数をＦ１〜Ｆｎへ遷移させて給電する。例えば時刻Ｔ１の周波数Ｆ１では、許容上限値を下回り妨害を受けにくいが、時刻Ｔ２の周波数Ｆ２では、許容上限値を超え妨害を受けている。しかし、周波数遷移全体（この例では周波数Ｆ１〜Ｆｎ）では、許容上限値を下回る周波数を多く用いることが可能であり、妨害を受ける時間比率を低くできる。これにより、電子機器が誤動作を生じる確率が低くなる。

本実施例によれば、病院内等で無線給電する際に、人体や付近の電子機器に影響を与える周波数を避けて周波数遷移を行うことで、人体への電磁波の曝露や電子機器の誤動作を低減することができる。

実施例３では、複数ペアの無線給電システムが近接して存在する場合に好適な無線給電方法を説明する。
送電装置２とウェアラブル機器（受電装置）１を病室等で使用する場合、複数ペアが同一室内で用いられることが想定される。例えば、送電装置２ａとウェアラブル機器１ａの間、送電装置２ｂとウェアラブル機器１ｂの間で並行して給電動作を行うことになる。この時、送電装置２ａと送電装置２ｂの無線給電周波数が一致すると、ウェアラブル機器１ａの受電コイル２１ａの受電動作と、ウェアラブル機器１ｂの受電コイル２１ｂの受電動作が相互に干渉し、正常に受電できなくなる。

この問題を回避するため、各ウェアラブル機器には機器固有の識別符号（ウェアラブル機器ＩＤ）を付与し、ウェアラブル機器ＩＤごとに図２の無線給電周波数の順序が異なるように設定する。ウェアラブル機器１ａ，１ｂ及び送電装置２ａ，２ｂは、ウェアラブル機器ＩＤごとに設定された受電側対応表と送電側対応表を保持している。

図８は、実施例３における送電動作と受電動作のタイミングチャートを示す図である。
ウェアラブル機器１ａは、送電装置２ａに送信開始データ４４ａを送信する際、自身のウェアラブル機器ＩＤ（４１ａ）とともに送信する。送電装置２ａはウェアラブル機器ＩＤ（４１ａ）に対応した送電側対応表に基づき、例えば周波数Ｆ１、Ｆ２、・・・の順に切り換えて送電する。ウェアラブル機器１ａは自身の受電側対応表に基づき、同じ共振周波数Ｆ１、Ｆ２、・・・の順に切り換えて受電する。

一方、同一室内に有るウェアラブル機器１ｂは、送電装置２ｂに送信開始データ４４ｂを送信する際、自身のウェアラブル機器ＩＤ（４１ｂ）とともに送信する。送電装置２ｂはウェアラブル機器ＩＤ（４１ｂ）に対応した送電側対応表に基づき、例えば周波数Ｆ５、Ｆ３、・・・の順に切り換えて送電する。ウェアラブル機器１ｂは自身の受電側対応表に基づき、同じ共振周波数Ｆ５、Ｆ３、・・・の順に切り換えて受電する。

本実施例によれば、複数ペアの無線給電システムが近接して存在しても、それぞれの無線給電周波数が異なるため受電動作が干渉することがない。よって、それぞれのペアにおいて正常な無線給電を継続することが可能となる。

実施例４では、ウェアラブル機器が複数の受電コイルを有する場合について説明する。
図９は、実施例４に係る無線給電システムの構成を示す図である。実施例１（図１）との相違点を述べると、ウェアラブル機器（受電装置）７は、第１受電コイル５１と第２受電コイル５２を有し、５３は第１受電コイル用スイッチ（第１スイッチ）、５４は第２受電コイル用スイッチ（第２スイッチ）である。第１スイッチ５３を閉じると第１受電コイル５１にて受電動作を行い、第２スイッチ５４を閉じると第２受電コイル５２にて受電動作を行う。このとき、スイッチは一方のみを閉じて、一方のコイルのみでの受電動作を行わせる。もしも両方のスイッチを閉じた場合には、各受電コイル５１，５２の共振周波数が変化して正常な受電動作が行えないからである。ここでは２つの受電コイルを有する場合を示すが、２つ以上の複数の受電コイルを有する場合も同様である。

本実施例では、受電制御部２６は各受電コイル５１，５２における受電量を比較し、受電量の大きい方のコイルで受電動作を行わせるよう制御する。すなわち送電装置２から無線給電が開始されると、整流回路２３は第１スイッチ５３を閉じて第１受電コイル５１からの受電量を検出して記憶し、次に第２スイッチ５４を閉じて第２受電コイル５２からの受電量を検出する。受電制御部２６は、検出した第１受電コイル５１と第２受電コイル５２の受電量を比較し、受電量の大きい方のスイッチを閉じて（他方のスイッチは開く）受電動作を行う。

図１０は、２つの受電コイルを有し衣類と一体化したウェアラブル機器７の例を示す図である。ウェアラブル機器７は衣類５０（例パジャマ）に縫い込まれおり、（ａ）は背中側の配置、（ｂ）は腹側の配置を示す。第１受電コイル５１は伸縮性導電材料で作られ、衣類５０の背中側に配置される。第２受電コイル５２も伸縮性導電材料で作られ、衣類５０の腹側に配置される。

実施例２（図５）で述べたように、患者が衣類一体型のウェアラブル機器３を着用してベッド５に横たわっている場合、送電コイル１１には衣類５０の背中側か腹側のいずれかが対向しているため、第１受電コイル５１または第２受電コイル５２の一方のコイルの受電量が他方より大きくなる。そこで、受電量の大きい方のコイルを使用する。

本実施例におけるウェアラブル機器７と送電装置２の動作をフローチャートを用いて説明する。
図１１Ａは、複数受電コイル型のウェアラブル機器７の動作を示すフローチャートである。

初期状態は、第１スイッチ５３が閉じ（オン）、第２スイッチ５４が開いて（オフ）、第１受電コイル５１が接続されている（Ｓ１２１）。この状態で受電コイルの共振周波数をＦ０に設定する（Ｓ１２２）。

受電制御部２６は充電電圧を監視し（Ｓ１２３）、生体センサ動作電圧４３より高くなったら、第１スイッチ５３をオンにして（Ｓ１２４）、送電装置２へ送信開始データを送信する（Ｓ１２５）。受電コイル５１，５２の共振周波数をＦ１に設定し、周波数Ｆ１の電力を受電する（Ｓ１２６）。まず、第１受電コイル５１の受電量Ｑ１を記憶する（Ｓ１２７）。

次に受電制御部２６は第２スイッチ５４をオンにして第２受電コイル５２を接続し（Ｓ１２８）、第２受電コイル５２の受電量Ｑ２を記憶する（Ｓ１２９）する。そして、第１受電コイル５１の受電量Ｑ１と第２受電コイル５１の受電量Ｑ２を比較する（Ｓ１３０）。

受電量Ｑ１の方が大きければ、第１スイッチ５３をオンにして第１受電コイル５１へ接続（Ｓ１３１）し、受電量Ｑ２の方が大きければ、第２スイッチ５４をオンにして第２受電コイル５２へ接続する（Ｓ１３２）。

受電制御部２６は送電装置２へ、送電周波数をＦ２へ変えることを要求するＦ２送信開始データを送信し（Ｓ１３３）、受電コイル５１，５２の共振周波数をＦ２に設定する（Ｓ１３４）。以降、周波数遷移周期Ｔｈｏｐの間隔で周波数Ｆ２から順次周波数遷移させる。この一連の処理は、送電装置２の周波数遷移と同期させた受電処理である（Ｓ１３５）。

受電制御部２６は、同期ずれ補正時間４５が経過したかを判定（Ｓ１３６）し、経過したらＳ１２４へ戻る。そして、第１スイッチ５３をオンにして、送信開始データ（同期ずれ補正用）を送信する。同期ずれ補正時間４５が経過していないときは、Ｓ１３５へ戻り、周波数遷移に同期した受電処理を継続する。

図１１Ｂは、送電装置２の動作を示すフローチャートである。

送電制御部１７は、初期状態で送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ０に設定し（Ｓ１４１）、周波数Ｆ０で送電を開始する（Ｓ１４２）。

送電制御部１７は、ウェアラブル機器７から送信開始データを受信したかを判定し（Ｓ１４３）、受信したら送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ１に設定して送電を開始する（Ｓ１４４、Ｓ１４５）。

次に送電制御部１７は、ウェアラブル機器７からＦ２送信開始データを受信したかを判定（Ｓ１４６）し、受信したら送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ２へ変更して送電する（Ｓ１４７）。

以降、周波数遷移周期Ｔｈｏｐの間隔で送電周波数と共振周波数をＦ２から順次周波数遷移させて送電する。この一連の処理は、ウェアラブル機器７の周波数遷移と同期させた送電処理である（Ｓ１４８）。

送電制御部１７は、ウェアラブル機器７から送信開始データ（同期ずれ補正用）を受信したかを判定し（Ｓ１４９）、受信したらＳ１４４へ戻り、送電周波数と送電コイル１１の共振周波数を開始点Ｆ１に切り換えて送電する。受信していないときはＳ１４８へ戻り、周波数遷移に同期した送電処理を継続する。

上記のフローでは、複数の受電コイルから受電量の大きいコイルを選択して切り換えるタイミングは、送電を開始するとき及び同期ずれ補正のタイミングに合わせ送電周波数Ｆ１のときに行っているが、これに限定されない。すなわち、受電コイルの選択切り換えタイミングを別途設け、また判定周波数をＦ１以外としてもよい。

本実施例によれば、複数の受電コイルから受電量の多いコイルを選択して受電するとともに、送受間の同期ずれを補正することができる。これにより、ウェアラブル機器７の使用状態が変化して（例えば、ウェアラブル機器７装着者が寝返りを打った場合など）、受電コイルの受電量が変化しても、最大の給電量を確保しつつ無線給電を維持することができる。

実施例５では、ウェアラブル機器が電磁波の漏洩検出機能を有する場合について説明する。

図１２は、実施例４に係る無線給電システムの構成を示す図である。実施例１（図１）との相違点を述べると、ウェアラブル機器（受電装置）８は、漏洩検出部６１と、複数の漏洩検出コイル６２、６３、６４、６５を有する。なお、漏洩検出コイルの数は任意であり１個でもよい。漏洩検出部６１が電磁波漏洩を検出すると、受電制御部２６は出力制御データ６６を送電装置２へ送信し、送電装置２の送電電力を低下させる構成である。

図１３は、衣類と一体化した漏洩検出型のウェアラブル機器８の例を示す図である。ウェアラブル機器８は衣類（例パジャマ）６０に縫い込まれており、伸縮性導電材料からなる受電コイル２１は衣類５０の背中側に配置される。さらに、受電コイル２１から離れた位置（この例では受電コイル２１の周囲の４隅位置）に、伸縮性導電材料からなる複数の漏洩検出コイル６２、６３、６４、６５を配置している。

ここに漏洩検出部６１は、各漏洩検出コイル６２〜６５の共振周波数を受電コイル２１の共振周波数に等しく設定しておく。送電装置２からウェアラブル機器８へ無線給電が開始されると、漏洩検出部６１は各漏洩検出コイル６２〜６５の検出レベルを予め定めた電磁波漏洩閾値と比較する。漏洩検出量が閾値を超えた場合、受電制御部２６は送電装置２へ出力制御データ６６（送信電力低下命令）を送り、送電電力を低下させるよう制御する。

つまり、漏洩検出量が大きい場合は、送電コイル１１から受電コイル２１への給電効率が低下し、他の部分へ強く漏洩していることを示している。この場合には、送電電力を低下させ漏洩電磁波の人体への曝露を低下させる必要がある。

送電装置２は負荷変調受信データ３３で送信電力低下命令を受信したら、送電アンプ１４を制御して送電電力を下げて送信する。この制御により、人体のみならず、付近の電子機器への不要な妨害電磁波を低減することができる。

本実施例におけるウェアラブル機器８と送電装置２の動作をフローチャートを用いて説明する。
図１４Ａは、漏洩検出型のウェアラブル機器８の動作を示すフローチャートである。
初期状態は、受電コイルの共振周波数をＦ０に設定する（Ｓ１５１）。受電制御部２６は充電電圧を監視し（Ｓ１５２）、生体センサ動作電圧４３より高くなったら、送電装置２へ送信開始データを送信する（Ｓ１５３）。受電コイル２１及び漏洩検出コイル６２〜６５の共振周波数をＦ１に設定し、周波数Ｆ１の電力を受電する（Ｓ１５４）。

次に漏洩検出部６１は、漏洩検出コイル６２〜６５で検出した各々の受電量、すなわち漏洩検出量を記憶し（Ｓ１５５）、電磁界漏洩閾値と比較する（Ｓ１５６）。いずれかの漏洩検出コイルにおける漏洩検出量が閾値を超えたら、受電制御部２６は送電装置２へ送信電力を低下させる出力制御データ６６（送信電力低下命令）を送信する（Ｓ１５７）。漏洩検出量が閾値を超えていないときは、現在の送信電力を継続する。

受電制御部２６は送電装置２へ、送電周波数をＦ２へ変えることを要求するＦ２送信開始データを送信し（Ｓ１５８）、受電コイル２１の共振周波数をＦ２に設定する（Ｓ１５９）。以降、周波数遷移周期Ｔｈｏｐの間隔で周波数Ｆ２から順次周波数遷移させる。この一連の処理は、送電装置２の周波数遷移と同期させた受電処理である（Ｓ１６０）。その際、必要に応じて、受電コイル２１とともに漏洩検出コイル６２〜６５の共振周波数も順に遷移させる。

受電制御部２６は、同期ずれ補正時間４５が経過したかを判定（Ｓ１６１）し、経過したらＳ１５３へ戻る。そして、送信開始データ（同期ずれ補正用）を送信する。同期ずれ補正時間４５が経過していないときは、Ｓ１６０へ戻り、周波数遷移に同期した受電処理を継続する。

図１４Ｂは、送電装置２の動作を示すフローチャートである。
送電制御部１７は、初期状態で送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ０に設定し（Ｓ１７１）、周波数Ｆ０で送電を開始する（Ｓ１７２）。

送電制御部１７は、ウェアラブル機器８から送信開始データを受信したかを判定し（Ｓ１７３）、受信したら送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ１に設定して送電を開始する（Ｓ１７４、Ｓ１７５）。

次に送電制御部１７は、ウェアラブル機器８から電力低下命令を受信したかを判定し（Ｓ１７６）、受信したら送電アンプ１４を制御して送電電力を下げる（Ｓ１７７）。このとき、送電電力を段階的に低下させ、ウェアラブル機器８から電力低下命令を受信しなくなるまで送電電力を変化させてもよい。

次に送電制御部１７は、ウェアラブル機器８からＦ２送信開始データを受信したかを判定（Ｓ１７８）し、受信したら送電周波数と送電コイル１１の共振周波数をＦ２へ変更して送電する（Ｓ１７９）。

以降、周波数遷移周期Ｔｈｏｐの間隔で送電周波数と共振周波数をＦ２から順次周波数遷移させて送電する。この一連の処理は、ウェアラブル機器８の周波数遷移と同期させた送電処理である（Ｓ１８０）。

送電制御部１７は、ウェアラブル機器８から送信開始データ（同期ずれ補正用）を受信したかを判定し（Ｓ１８１）、受信したらＳ１７４へ戻り、送電周波数と送電コイル１１の共振周波数を開始点Ｆ１に切り換えて送電する。受信していないときはＳ１８０へ戻り、周波数遷移に同期した送電処理を継続する。

上記のフローでは、漏洩検出部６１と漏洩検出コイル６２〜６５による電磁波漏洩を判定するタイミングは、送電を開始するとき及び同期ずれ補正のタイミングに合わせ送電周波数Ｆ１のときに行っているが、これに限定されない。すなわち、電磁波漏洩の判定タイミングを別途設け、また判定周波数をＦ１以外としてもよい。

本実施例によれば、送電コイル１１から受電コイル２１への給電効率が低下し、他の部分へ電磁波が漏洩している場合、送電電力を低下させて人体への曝露や電子機器への妨害を低減することができる。

実施例６では、病室の患者が使用するのに好適な無線給電システムについて説明する。
図１５は、実施例６に係る無線給電システムの構成を示す図である。ここでは、病室でベッド５上のマットレス７１に患者７２が横たわっている状態を想定する。

マットレス７１の裏面側には送電装置２が一体化され、伸縮性導電材料からなる送電コイル１１が布の平面上に縫い合わされて配置される。一方、マットレス７１の表面側では、患者７２の着用する衣類にはウェアラブル機器１が一体型され、伸縮性導電材料からなる受電コイル２１が衣類の平面上に縫い合わされて配置される。ウェアラブル機器１には図示しない生体情報センサ２５等が含まれている。

送電装置２からウェアラブル機器１への給電動作において、マットレス７１は繊維材料（非金属材料）をクッションとして用いているため、電磁波を通過させる（綿を包含した布団でも良い）。送電コイル１１はマットレス７１の裏面に配置されるので、受電コイル２１との間で、マットレスの厚さＨ（例えば１０ｃｍ）の距離を隔てて送受電することになる。

電磁界共鳴現象を利用した無線給電では、送電コイル１１と受電コイル２１とが近すぎると密結合状態になり、単一であった共振状態が分裂して双峰特性になることが知られている。双峰特性の場合、給電効率が低下するので好ましくない。

本実施例の構成では、送電コイル１１と受電コイル２１の間に所定の距離（マットレスの厚さＨ）が確保されるので、密結合を避け、単一の共振状態を維持しながら高効率での無線給電が可能となる。

上記した各実施例は、本発明を分かり易く説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、さらにはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１，３，４，７，８：ウェアラブル機器（受電装置）、
２，４：送電装置、
５：医療用電子機器、
１１：送電コイル、
１２，２２：可変容量ダイオード（バラクタダイオード）、
１３：周波数シンセサイザ、
１４：送電アンプ、
１５：プログラマブルディバイダ、
１６：電圧制御発振器（ＶＣＯ）、
１７：送電制御部、
１８，３４：バラクタ電圧、
２１，５１，５２：受電コイル、
２３：整流回路
２４：二次電池、
２５：生体情報センサ、
２６：受電制御部、
２７：負荷変調部、
３１：送電基準クロック発振器、
３２：受電基準クロック発振器、
３３：負荷変調受信データ、
３５：負荷変調データ、
４１：ウェアラブル機器ＩＤ、
４３：生体センサ動作電圧、
４４：送信開始データ、
４５：同期ずれ補正時間、
６１：漏洩検出部、
６２〜６５：漏洩検出コイル。

Claims (11)

1. 送電装置から受電装置へ電力を無線で給電する無線給電システムであって、
   前記送電装置は、電力を伝送する複数の搬送周波数を予め定めた周期と順序で周波数遷移させ、送電コイルを介して電力を送電し、
   前記受電装置は、前記送電装置と電磁界共鳴状態を維持しながら、前記送電装置と同一の周期と順序で周波数遷移させ、受電コイルを介して電力を受電することを特徴とする無線給電システム。
2. 送電装置から受電装置へ電力を無線で給電する無線給電システムであって、
   前記送電装置は、
   前記受電装置へ電力を送電する送電コイルと、
   前記送電コイルに接続された送電側可変容量ダイオードと、
   前記送電コイルに電力を送る送電アンプと、
   電力を伝送する搬送周波数を生成する周波数シンセサイザと、
   複数の搬送周波数を予め定めた周期と順序で周波数遷移させるため、前記周波数シンセサイザの発振周波数を設定し、前記送電コイルの共振周波数が前記搬送周波数となるように前記送電側可変容量ダイオードへ電圧を印加する送電制御部と、を備え、
   前記受電装置は、
   前記送電装置から電力を受電する受電コイルと、
   前記受電コイルに接続された受電側可変容量ダイオードと、
   前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、
   前記整流回路から充電される二次電池と、
   前記送電装置における複数の搬送周波数の周波数遷移に同期させるため、前記受電コイルの共振周波数が前記搬送周波数となるように前記受電側可変容量ダイオードへ電圧を印加する受電制御部と、を備え、
   前記送電制御部と前記受電制御部は、前記搬送周波数の遷移について同一の周波数遷移表を保持することで、前記送電コイルと前記受電コイルは互いに電磁界共鳴状態を維持しながら電力を送受電することを特徴とする無線給電システム。
3. 請求項２に記載の無線給電システムであって、
   前記受電装置の前記受電制御部は、初期状態で前記受電側可変容量ダイオードに電圧０Ｖを印加し、
   前記送電装置の前記送電制御部は、前記送電側可変容量ダイオードへの印加電圧が０Ｖのときの前記送電コイルの共振周波数を、前記周波数遷移表の初期状態の搬送周波数とすることを特徴とする無線給電システム。
4. 請求項２に記載の無線給電システムであって、
   前記受電制御部は前記送電装置からの受電量が所定値に達したら、前記送電装置へ送信開始データを送信するとともに、前記周波数遷移表に従い前記受電側可変容量ダイオードへの電圧印加を開始し、
   前記送電装置の前記送電制御部は、前記送信開始データを受信した時点で、前記周波数遷移表に従い前記周波数シンセサイザの発振周波数の設定と前記送電側可変容量ダイオードへの電圧印加を開始することを特徴とする無線給電システム。
5. 請求項２に記載の無線給電システムであって、
   前記送電制御部における周波数遷移の周期と、前記受電制御部における周波数遷移周期の差から、両者の周波数切り換えタイミングのずれ量が許容値に達するまでの時間（以下、同期ずれ補正時間）を予め求めておき、
   前記受電制御部は、前記送電装置からの周波数遷移による受電時間が前記同期ずれ補正時間を経過したら、前記送電装置へ同期ずれ補正用の送信開始データを送信するとともに、前記周波数遷移表に従い所定の搬送周波数から前記受電側可変容量ダイオードへの電圧印加を開始し、
   前記送電装置の前記送電制御部は、前記同期ずれ補正用の送信開始データを受信した時点で、前記周波数遷移表に従い所定の搬送周波数から、前記周波数シンセサイザの発振周波数の設定と前記送電側可変容量ダイオードへの電圧印加を開始することを特徴とする無線給電システム。
6. 請求項１または２に記載の無線給電システムであって、
   周波数遷移させる前記複数の搬送周波数は、人体への電磁波吸収量が多い周波数、または他の電子機器へ電磁波妨害を与える周波数を除外した周波数範囲に設定することを特徴とする無線給電システム。
7. 請求項４に記載の無線給電システムであって、
   前記受電装置には固有の識別符号（ＩＤ）を付与しておき、前記受電制御部は前記送電装置へ、前記送信開始データとともに当該受電装置の識別符号を送信し、
   前記送電装置の前記送電制御部は、前記複数の搬送周波数が前記識別符号ごとに異なる順序で記述された前記周波数遷移表を保持し、受信した前記識別符号を基に、前記周波数遷移表に従い搬送周波数を遷移させることを特徴とする無線給電システム。
8. 請求項２に記載の無線給電システムであって、
   前記受電装置は、前記受電コイルとして複数の受電コイルが並列に接続され、スイッチを介して１つの受電コイルを選択して受電することが可能であり、
   前記受電制御部は前記スイッチを操作して、前記送電装置から送電された電力に対する前記複数の受電コイルにおける受電量を検出し、検出した受電量が最大となる受電コイルを選択して受電動作を行わせることを特徴とする無線給電システム。
9. 請求項２に記載の無線給電システムであって、
   前記受電装置は、前記送電装置からの電力を受電するときに前記受電コイルの周囲における電磁波の漏洩を検出する漏洩検出コイルと、
   前記漏洩検出コイルの共振周波数を受電する搬送波周波数に設定し、前記漏洩検出コイルで検出した電磁波の漏洩量を予め定めた閾値と比較する漏洩検出部を有し、
   前記漏洩検出部での比較の結果、前記漏洩量が前記閾値を超えた場合、前記受電制御部は前記送電装置へ、送電電力を低下させる出力制御データを送信し、
   前記送電装置の前記送電制御部は、前記出力制御データを受信したとき、前記送電アンプに対し送電電力を下げるように制御することを特徴とする無線給電システム。
10. 請求項１または２に記載の無線給電システムであって、
    前記送電装置は布と一体化され、前記送電コイルは伸縮性導電材料からなり前記布の平面上に縫い合わされて配置されるとともに、
    前記受電装置は生体情報センサを有し、衣類と一体化されたウェアラブル機器であり、前記受電コイルは伸縮性導電材料からなり前記衣類の平面上に縫い合わされて配置されることを特徴とする無線給電システム。
11. 請求項１０に記載の無線給電システムであって、
    前記送電装置は厚みを持った繊維材料の裏面側に一体化して配置され、前記ウェアラブル機器は前記繊維材料の表面側に配置して使用されるものであって、
    前記送電装置の前記送電コイルと前記受電装置の前記受電コイルは、前記繊維材料の厚さの距離を隔てて送受電することを特徴とする無線給電システム。

Images