JP6469940B2 - ワイヤレス給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電装置に関する。

近年、無線給電として、磁界共鳴を利用したワイヤレス給電が提案されている。このワイヤレス給電は、送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせることにより電力の供給を実現している（特許文献１参照）。このような磁界共鳴を利用したワイヤレス給電では、送電コイルと受電コイルとの間に受電コイルと同一の共振周波数を有するレピータコイルを中継として挿入することにより、送電コイルから受電コイルまでの給電距離を延長できることが知られている。

しかしながら、特許文献１の場合、磁界共鳴を構成するコイルは、共鳴現象を発生する受電コイルに相当する共鳴コイルと電力授受を行なう励磁コイルとによって構成されている。そのため、送電コイルとの間の電力の伝達は共鳴コイルによって行い、負荷で利用される電力は共鳴コイルと励磁コイルとの間のトランスなどを用いた一般的な電磁結合によるエネルギー授受を利用している。この電磁結合を利用して電力を取り出す場合、共鳴コイルと電力変換用の励磁コイルとの間の伝達効率は約５０％程度と低い。そのため、共鳴コイルに接続された負荷で十分な電力を得るためには、送電コイルおよび共鳴コイルの大型化を招くという問題がある。また、共鳴コイルおよび電力変換用の励磁コイルの双方を必要とするため、全体として大型化するという問題がある。特に、近年、ワイヤレス給電装置は、工場設備への設置、および産業用のロボットへの内蔵が求められている。このような場合、ワイヤレス給電装置の大型化は、導入の大きな障害となる。

米国特許第７，８２５，５４３号明細書

そこで、本発明は、電力の効率的な伝達を確保しつつ、機器の大型化を招かないワイヤレス給電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、受電コイルは、末端にあるとき末端の受電コイルとして機能し、送電コイルと末端コイルとの間に挿入されたときレピータとして機能する。この受電コイルは、実負荷と直接接続されている。すなわち、実負荷は、受電コイルで受け取った電力によって直接駆動される。そのため、受電コイルと実負荷との間には、例えばトランスなどのように電力を変換するための変換手段を必要としない。したがって、受電コイルの大型化を招くことがない。また、電力の変換手段を必要としないので電力の変換にともなうエネルギーの減衰が抑えられ、電力の効率的な伝達を確保することができる。さらに、電力の効率的な伝達によって送電側の電力供給部および送電コイルも電気的な容量が低減される。したがって、小型化を促進することができ、工場設備やロボットへの導入を容易にすることができる。

ところで、受電コイルと実負荷とを直接接続する場合、受電コイルと実負荷との間は閉じた回路すなわち閉ループを常に形成するとは限らない。例えば実負荷の電源がオフ、つまり実負荷が駆動していないとき、受電コイルと実負荷とを接続する回路は途中で開放状態となり、電力の供給が遮断される。受電コイルをレピータとして機能させる場合、受電コイルを中心とした閉ループを形成する必要がある。しかし、上述のように受電コイルと実負荷とを直接接続すると、実負荷の駆動状態によって受電コイルのレピータとしての機能が損なわれるおそれがある。

そこで、請求項１記載の発明では、受電コイルおよび実負荷と並列に補助負荷を挿入している。仮に受電コイルと実負荷との間が開放状態となっても、受電コイルは補助負荷との間で閉ループを形成する。そのため、受電コイルは、実負荷の駆動状態に関わらず、安定してレピータとしての機能が確保される。したがって、受電コイルと実負荷とを直接接続する場合でも、給電距離を延長することができるとともに、安定した給電を図ることができる。また、請求項１記載の発明では、受電コイルは、接続している実負荷が稼働しているとき実負荷によって閉じた電気回路を形成するとともに、この実負荷が稼働していないとき補助負荷によって閉じた電気回路を形成する。そのため、受電コイルは、末端または中継のいずれのコイルであっても、給電コイルから常に電力を受け取る。そして、受電コイルと実負荷とを直接接続することにより、電力の変換が不要となり、電力の変換にともなうエネルギーの減衰が低減される。したがって、電力の効率的な伝達が図られ、従来のワイヤレス給電装置と比較して給電コイルおよび受電コイルをはじめとする機器の小型化を図ることができる。

請求項２記載の発明では、実負荷取得手段は、実負荷の負荷を取得する。すなわち、実負荷取得手段は、実負荷の負荷状態を常に監視する。そして、負荷変更手段は、実負荷取得手段で取得した実負荷の負荷に応じて、補助負荷の負荷を変更する。補助負荷は、可変負荷である。磁界共鳴を利用して給電する場合、送電コイルとレピータを含む受電コイルとの間の給電効率は、実負荷の負荷状況に応じて変化する。すなわち、実負荷と補助負荷との負荷の総和を給電効率の高い値に維持することが好ましい。そこで、負荷変更手段は、実負荷の負荷状況に応じて可変負荷である補助負荷の負荷を変更することにより、実負荷と補助負荷との負荷の総和を一定値に維持する。したがって、受電コイルに接続された実負荷の負荷が変化する場合でも、給電効率および給電の安定性を高めることができる。

第１実施形態によるワイヤレス給電装置を示す概略的なブロック図 第１実施形態によるワイヤレス給電装置において送電モジュールを示す概略図 第１実施形態によるワイヤレス給電装置において中間モジュールを示す概略図 中間モジュールの実負荷へ供給される電流と末端モジュールが受け取る電力との関係を示す概略図 中間モジュールのデューティ比と末端モジュールが受け取る電力との関係を示す概略図 中間モジュールの負荷と末端モジュールが受け取る電力との関係を示す概略図 第１実施形態によるワイヤレス給電装置においてアクティブ状態からスリープ状態への移行の流れを示す概略図 第１実施形態によるワイヤレス給電装置においてスリープ状態からアクティブ状態への復帰の流れを示す概略図 第２実施形態によるワイヤレス給電装置において中間モジュールを示す概略的なブロック図 ワイヤレス給電装置を適用したロボットを示す模式図

以下、ワイヤレス給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように第１実施形態によるワイヤレス給電装置１０は、送電モジュール１１、中間モジュール１２および末端モジュール１３を備える。第１実施形態の場合、ワイヤレス給電装置１０は、例えば工場などの設備において送電モジュール１１から中間モジュール１２および末端モジュール１３へ電力をワイヤレスすなわち無線で供給する。工場などの設備にワイヤレス給電装置１０を適用する場合、電力は、送電モジュール１１から中間モジュール１２および末端モジュール１３へ無線によって供給される。

送電モジュール１１は、送電コイル２１および電力供給部２２を有している。電力供給部２２は、図２に示すように交流の電源２３、スイッチング素子２４、２５およびゲートドライバ２６などを有する電気回路で構成されている。スイッチング素子２４、２５は，例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）などで構成されている。これにより、電力供給部２２は、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波を送電コイル２１へ供給する。送電コイル２１は、例えば図示しない平面状の基板の表面にコイルを形成した平面コイルを有している。

図１に示すように中間モジュール１２は、受電コイル３１、整流器３２、電力制御部３３、平滑器３４、実負荷３５および補助負荷３６を有している。受電コイル３１は、送電コイル２１と同様に図示しない平面状の基板の表面にコイルを形成した平面コイルを有している。受電コイル３１は、送電コイル２１との間で磁界共鳴を利用して非接触で電力を受け取る。送電コイル２１に高周波を供給すると、送電コイル２１と受電コイル３１との間では磁界共鳴によって電力が伝達される。中間モジュール１２の受電コイル３１は、この送電コイル２１から出力された電力を受け取る。

整流器３２は、いわゆるＡＣ／ＤＣコンバータであり、例えば図３に示すようにダイオードブリッジ３２１やコンデンサ３２２などを有している。整流器３２は、受電コイル３１で受け取った電力を高周波の交流から直流へ整流する。電力制御部３３は、例えばＣＰＵ３３１およびＦＥＴなどのスイッチング素子３３２、３３３などを有しており、整流器３２で整流された電力の実負荷３５側への出力を制御する。ＣＰＵ３３１は、パルス幅変調（ＰＷＭ）が施されたＰＷＭ信号を出力端３３４から出力する。スイッチング素子３３２、３３３は、ＣＰＵ３３１から出力されたＰＷＭ信号により駆動される。これにより、電力制御部３３は、実負荷３５へ出力する電力を制御る。実負荷３５へ供給される電力量は、ＣＰＵ３３１から出力されるＰＷＭ信号のデューティ比によって変更される。ＣＰＵ３３１は、ＡＤ入力部３３５の電圧ＡＤｉｎに基づいてＰＷＭ変調におけるＰＷＭデューティ比を算出し、算出したＰＷＭディーティ比にしたがうパルス幅の信号を出力する。平滑器３４は、抵抗３４１およびコンデンサ３４２などから構成され、電力制御部３３から出力された信号および電力を平滑化する。

末端モジュール１３は、受電コイル４１、整流器４２、電力制御部４３、平滑器４４および実負荷４５を有している。これら末端モジュール１３を構成する受電コイル４１、整流器４２、電力制御部４３、平滑器４４は、中間モジュール１２の該当する部分と同一の構成であるので説明を省略する。このように末端モジュール１３は、補助負荷３６を有していない点が中間モジュール１２と異なる。末端モジュール１３の受電コイル４１は、中間モジュール１２の受電コイル３１を経由して送電コイル２１から非接触で電力を受け取る。すなわち、送電モジュール１１の送電コイル２１から供給される電力は、中間モジュール１２の受電コイル３１を中継して末端モジュール１３へ伝達される。このとき、中間モジュール１２は、送電コイル２１から伝達された電力の一部を実負荷３５または補助負荷３６の少なくともいずれかで消費する。

このように、送電コイル２１から伝達される電力は、中間モジュール１２を中継として末端モジュール１３へ伝達される。そして、送電コイル２１から出力された電力の一部は、中間モジュール１２で消費され、残部が末端モジュール１３で消費される。中間モジュール１２の受電コイル３１は、送電コイル２１から電力を受け取るだけでなく、末端モジュール１３の受電コイル４１へ電力を中継する中継コイルつまりレピータとしても機能する。

中間モジュール１２の実負荷３５および末端モジュール１３の実負荷４５は、各種の機能を発揮する機能部品である。これらの機能部品は、例えばモータ、アクチュエータあるいはヒータのように電気的なエネルギーを機械的なエネルギーや熱的なエネルギーに変換する部品や素子を有している。また、機能部品は、例えばカメラなどのように画像を記録するものや音声を記録するものであってもよい。このように、中間モジュール１２の実負荷３５および末端モジュール１３の実負荷４５は、受電コイル３１または受電コイル４１で受け取った電力によって駆動される。

次に、中間モジュール１２についてさらに詳しく説明する。
中間モジュール１２は、実負荷３５に加えて補助負荷３６を有している。補助負荷３６は、受電コイル３１と実負荷３５との間に実負荷３５と並列に挿入されている。中間モジュール１２の実負荷３５は、駆動のオンまたはオフによって、電力の供給が断続される。実負荷３５への電力の供給が停止されると、受電コイル３１と実負荷３５との間は、電気的な回路が途中で遮断された開放状態となる。補助負荷３６は、実負荷３５と並列に挿入されていることから、このように中間モジュール１２の実負荷３５がオフとなり、中間モジュール１２の電気的な回路が開放状態となったとき、受電コイル３１との間で閉鎖した回路を形成する。これにより、受電コイル３１で受電した電力は、補助負荷３６を経由する閉回路を流れることになる。

第１実施形態のように送電モジュール１１と末端モジュール１３との間に中間モジュール１２を挿入する場合、送電モジュール１１から出力された電力は中間モジュール１２を中継として末端モジュール１３へ伝達される。このように中間モジュール１２を挿入すると、送電モジュール１１から末端モジュール１３までの電力の伝達距離を延長することができる。すなわち、送電モジュール１１と末端モジュール１３との間に中継として中間モジュール１２を挿入することにより、送電モジュール１１から末端モジュール１３までの電力の伝達距離は延長される。

一方、この電力伝達の中継となる中間モジュール１２は、受電コイル３１を含む閉回路を形成していないとき、受電コイル３１に電流が流れず、レピータとして電力の中継を行なうことができない。例えば、中間モジュール１２に実負荷３５が直接接続されていなければ、受電コイル３１を含む単純な閉回路を形成することにより、中間モジュール１２の受電コイル３１はレピータとして機能させることができる。しかし、第１実施形態のように中間モジュール１２に実負荷３５を直接接続し、受電コイル３１で受け取った電力の一部を実負荷３５で利用する場合、実負荷３５が駆動していないとき、すなわち実負荷３５がオフのとき、中間モジュール１２の受電コイル３１を含む電気回路は開放された回路となる。その結果、実負荷３５がオフのとき、受電コイル３１に電流が流れず、中間モジュール１２の受電コイル３１はレピータとして機能できない。

そこで、第１実施形態では、中間モジュール１２において、受電コイル３１と実負荷３５との間に補助負荷３６を並列に挿入している。このように、補助負荷３６を並列に挿入することにより、実負荷３５が駆動していないときでも、受電コイル３１は補助負荷３６との間で閉鎖された閉回路を形成する。これにより、中間モジュール１２の受電コイル３１は、レピータとして機能することができ、送電モジュール１１から末端モジュール１３への電力の伝達を中継する。その結果、中間モジュール１２に実負荷３５を直接接続する場合でも、中間モジュール１２の実負荷３５の作動状況に関わらず、送電モジュール１１から末端モジュール１３までの電力の伝達距離を延長することができる。本実施形態の場合、補助負荷３６は、例えばインダクタなどで構成されている。

次に、上記の構成によるワイヤレス給電装置１０の作用について説明する。
図４は、中間モジュール１２で消費される電力すなわち実負荷３５に流れる電流と末端モジュール１３が受け取る電力との関係を示している。図４に示す場合、送電モジュール１１は、一定の電力を出力している。図４に示すように、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が小さいとき、末端モジュール１３が受け取る電力は小さくなる。これは、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が小さいとき、中間モジュール１２を流れる電流が少なくなり、受電コイル３１を含む電気的な回路を流れる電流も減少し、レピータとしての機能が低下するからである。このように、受電コイル３１を流れる電流が減少すると、受電コイル３１で発生する磁界が弱まり、中間モジュール１２を中継とする送電モジュール１１と末端モジュール１３との間で磁界共鳴による電力の供給が成立しなくなる。

一方、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が大きくなると、末端モジュール１３が受け取る電力は大きくなる。これは、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が小さいときとは逆に、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が大きくなると、中間モジュール１２を流れる電流が増加し、受電コイル３１を含む電気的な回路を流れる電流も増加するからである。このように、受電コイル３１を流れる電流が増加するにつれて、受電コイル３１で発生する磁界が強まり、中間モジュール１２を中継とする送電モジュール１１と末端モジュール１３との間の電力の供給が達成される。すなわち、中間モジュール１２の受電コイル３１は、レピータとして機能する。

さらに、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が過大になると、末端モジュール１３が受け取る電力は減少する。これは、中間モジュール１２の実負荷３５で消費される電力が過大になると、送電モジュール１１から出力された電力の大部分が中間モジュール１２の実負荷３５で消費されるからである。このように、送電モジュール１１から出力された電力の大部分が中間モジュール１２の実負荷３５で消費されると、中間モジュール１２を中継として送電モジュール１１から末端モジュール１３へ提供できる電力が減少する。その結果、末端モジュール１３が受け取る電力は減少することになる。

このように、中間モジュール１２の受電コイル３１をレピータとして機能させるためには、中間モジュール１２で一定量の電力を消費する必要がある。一方、実負荷３５は、機能がオフされると、電力の消費を停止する。そこで、第１実施形態では、実負荷３５と並列に補助負荷３６を挿入することにより、実負荷３５がオフされて電力の消費が停止されても、補助負荷３６で電力を消費する構成としている。すなわち、実負荷３５がオフされたとき、補助負荷３６に電流が流れる。このとき、補助負荷３６に流れる電流は、中間モジュール１２の受電コイル３１をレピータとして機能させるための十分な大きさに設定される。その結果、中間モジュール１２の受電コイル３１は、実負荷３５の作動状態に関わらずレピータとして機能する。

また、図５は、末端モジュール１３の電力制御部４３が制御するＰＷＭデューティ比と末端モジュール１３が受電する電力との関係を示している。具体的には、図５は、末端モジュール１３におけるＰＷＭデューティ比と受電電力との関係が中間モジュール１２の負荷によってどのように変化するかを示している。

図５に示すように、末端モジュール１３で受け取り可能な電力が最大となるＰＷＭデューティ比は、中間モジュール１２における負荷によって異なる。そのため、負荷が小さな中間モジュール１２を前提にＰＷＭデューティ比を固定的に設定すると、中間モジュール１２の実負荷の負荷が大きくなったとき、最も伝達効率の高いＰＷＭデューティ比を利用することができない。第１実施形態の場合、末端モジュール１３の電力制御部４３において出力するＰＷＭデューティ比を変更することにより、末端モジュール１３が受け取り可能な電力は、中間モジュール１２の負荷状態に応じて変更される。したがって、末端モジュール１３におけるＰＷＭデューティ比は常に最適な値に制御することができる。例えば、末端モジュール１３の電力制御部４３は、中間モジュール１２の負荷が大きくなると、図５に示すようにデューティ比を大きくなる側へ変更する。これにより、末端モジュール１３が受け取り可能な電力は増加し、電力の伝達効率が向上する。

図６は、中間モジュール１２の実負荷３５における負荷すなわち実負荷３５の消費電力と、末端モジュール１３で受け取り可能な電力との関係を示している。第１実施形態の場合、図５で説明したように末端モジュール１３の電力制御部４３においてＰＷＭディーティ比を制御することにより、末端モジュール１３が受け取り可能な電力は中間モジュール１２の負荷に関わらず変化が小さい。一方、末端モジュール１３の電力制御部４３においてＰＷＭデューティ比を制御しない比較例の場合、末端モジュール１３が受け取り可能な電力は中間モジュール１２の負荷に応じて変化する。具体的には、比較例の場合、中間モジュール１２の負荷が増大すると、末端モジュール１３が受け取り可能な電力は減少する。このことからも、中間モジュール１２の実負荷３５の負荷状態に応じて第１実施形態のように末端モジュール１３におけるＰＷＭデューティ比を変化させることにより、末端モジュール１３で受け取り可能な電力が安定することが分かる。したがって、第１実施形態では、中間モジュール１２に実負荷３５を接続する場合でも、送電モジュール１１から出力された電力を末端モジュール１３で有効に利用することができる。

次に、上記の構成による中間モジュール１２の電力制御部３３の作動の流れについて説明する。
中間モジュール１２は、アクティブ状態またはスリープ状態のいずれかの状態で機能する。アクティブ状態は、受電コイル３１がレピータとして機能している状態である。一方、スリープ状態は、例えば中間モジュール１２が送電モジュール１１と末端モジュール１３とを中継する位置からずれ、中間モジュール１２の受電コイル３１がレピータとして機能していない状態である。電力制御部３３は、このように受電コイル３１の状態に応じて中間モジュール１２の機能をアクティブ状態またはスリープ状態に切り換える。

中間モジュール１２がアクティブ状態にあるとき、図７に示すようにＣＰＵ３３１は、ＡＤ入力における電圧ＡＤｉｎを取得する（Ｓ１０１）。ここで、電圧ＡＤｉｎは、ＡＤ入力部３３５において検出する電圧であり、整流器３２からの入力電圧に相当する。ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０１で取得した電圧ＡＤｉｎにＰＩＤ処理を施し、測定した電圧ＡＤｉｎに基づくＰＷＭにおけるデューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙを設定する（Ｓ１０２）。すなわち、ＣＰＵ３３１は、電圧ＡＤｉｎが実負荷３５へ出力する目標となる出力値となるようにデューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙを設定する。なお、Ｓ１０２では、ＣＰＵ３３１がＰＩＤ処理を施す例を挙げたが、他の処理を施してもよい。

Ｓ１０２においてデューティ比ＰＷＭ_ｄｕｔｙが設定されると、ＣＰＵ３３１は、設定したデューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙが予め設定された最大値ＰＷＭ＿ｍａｘ以上であるか否かを判断する（Ｓ１０３）。最大値ＰＷＭ＿ｍａｘは、デューティ比の８０％程度の値として予め設定されている。この最大値ＰＷＭ＿ｍａｘは、実負荷３５の負荷の大きさに応じて任意に設定することができる。ＣＰＵ３３１は、実負荷３５へ供給される電流が減少し、電圧ＡＤｉｎが低下すると、デューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙを大きくし、実負荷３５へ供給される電流を維持する。一方、実負荷３５へ供給される電流が過小になると、デューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙは最大値ＰＷＭ＿ｍａｘ以上になる。ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０２で設定したデューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙが最大値ＰＷＭ＿ｍａｘ以上であると判断すると（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖより小さいか否かを判断する（Ｓ１０４）。限界電圧Ｖは、実負荷３５に印加する電圧の下限値である。

ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０３においてデューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙが最大値ＰＷＭ＿ｍａｘより小さいと判断したとき（Ｓ１０３：Ｎｏ）、実負荷３５に供給される電流が適切であると判断する。したがって、ＣＰＵ３３１は、シャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣをリセットする（Ｓ１０５）。また、ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０４において電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖ以上であると判断したとき（Ｓ１０４：Ｎｏ）、Ｓ１０５に移行し、シャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣをリセットする。すなわち、ＣＰＵ３３１は、電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖ以上であると判断したとき、実負荷３５への電力の供給が可能と判断する。ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０５においてシャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣをリセットすると、Ｓ１０１へリターンして処理を継続する。シャットダウンカウンタは、中間モジュール１２をアクティブ状態からスリープ状態へ移行するか否かを判断するための期間を測定する。

ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０４において電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖより小さいと判断すると（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、シャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣをカウントアップする（Ｓ１０６）。すなわち、ＣＰＵ３３１は、電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖより小さいとき、実負荷３５に印加される電圧が過小になっていると判断する。そのため、ＣＰＵ３３１は、中間モジュール１２をアクティブ状態からスリープ状態へ以降するためのシャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣを進める。

ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０６において、シャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣがカウントアップされると、このカウントＯｖｅｒＣが上限値Ｃｍａｘ１を超えたか否かを判断する（Ｓ１０７）。ＣＰＵ３３１は、シャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣが上限値Ｃｍａｘ１を超えたと判断すると（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、ＰＷＭの出力を最小にするとともに（Ｓ１０８）、スリープ状態へ移行する（Ｓ１０９）。このように、ＣＰＵ３３１は、デューティ比ＰＷＭ＿ｄｕｔｙが最大値ＰＷＭ＿ｍａｘ以上となり、かつ電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖより小さな状態が連続して上限値Ｃｍａｘ１に達すると、中間モジュール１２をスリープ状態へ移行させる。

例えば中間モジュール１２の位置のずれなどによって、中間モジュール１２の受電コイル３１で送電モジュール１１から受け取る電力が低下し、その状態が一定期間継続すると、シャットダウンカウンタのカウントＯｖｅｒＣは、上限値Ｃｍａｘ１に到達する。このように中間モジュール１２の受電コイル３１が送電モジュール１１から受け取る電力が急激に低下すると、磁界共鳴の不成立によって中間モジュール１２の電気的な回路には逆起電力が生じる。そして、生じた逆起電力は、中間モジュール１２の電気的な回路を構成する素子の破壊を招くおそれがある。そこで、ＣＰＵ３３１は、中間モジュール１２の位置のずれなどによって磁界共鳴が停止すると、スリープ状態へ移行して、逆起電力による素子の破壊を防止する。

一方、中間モジュール１２がスリープ状態にあるとき、ＣＰＵ３３１は、図８に示す流れにしたがってスリープ状態からの復帰の可否を判断する。具体的には、ＣＰＵ３３１は、スリープ状態にあるとき、インターバルタイマによって、一定の時間毎に一時的に中間モジュール１２をスリープ状態からアクティブ状態へ移行する（Ｓ２０１）。すなわち、ＣＰＵ３３１は、スリープ状態へ移行してから、予め設定した期間が経過すると、定期的に中間モジュール１２をスリープ状態からアクティブ状態へ一時的に移行する。これにより、ＣＰＵ３３１は、Ｓ１０８においてＰＷＭの出力を最小にする設定を解除する。そして、ＣＰＵ３３１は、ＡＤ入力部３３５における電圧ＡＤｉｎを取得する（Ｓ２０２）。

ＣＰＵ３３１は、Ｓ２０２で取得した電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖ以上であるかを判断する（Ｓ２０３）。ＣＰＵ３３１は、電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖ以上であると判断すると（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、ウェークアップカウンタのカウントＷａｋｅＣをカウントアップする（Ｓ２０４）。すなわち、ＣＰＵ３３１は、電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖ以上であるとき、実負荷３５に十分な電圧が印加されていると判断する。そのため、ＣＰＵ３３１は、中間モジュール１２をスリープ状態からアクティブ状態へ移行するためのウェークアップカウンタのカウントＷａｋｅＣを進める。

ＣＰＵ３３１は、Ｓ２０４において、ウェークアップカウンタのカウントＷａｋｅＣのカウントアップされると、このカウントＷａｋｅＣが上限値Ｃｍａｘ２を超えたか否かを判断する（Ｓ２０５）。ＣＰＵ３３１は、ウェークアップカウンタのカウントＷａｋｅＣが上限値Ｃｍａｘ２を超えたと判断すると（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）、アクティブ状態へ移行する（Ｓ２０６）。すなわち、ＣＰＵ３３１は、ウェークアップカウンタのカウントＷａｋｅＣが上限値Ｃｍａｘ２を超えると、実負荷３５に供給される電力が十分に回復したと判断する。

一方、ＣＰＵ３３１は、Ｓ２０３において電圧ＡＤｉｎが限界電圧Ｖより小さいと判断（Ｓ２０３：Ｎｏ）、およびＳ２０５においてカウントＷａｋｅＣが上限値Ｃｍａｘ２以下であると判断すると（Ｓ２０５：Ｎｏ）、中間モジュール１２をスリープ状態に維持したままＳ２０１へリターンする。すなわち、ＣＰＵ３３１は、これらの条件では実負荷３５に供給される電力が不十分であるとして電気回路を保護するためにスリープ状態を維持する。

このように、中間モジュール１２のＣＰＵ３３１は、中間モジュール１２をアクティブ状態またはスリープ状態に切り換える。これにより、中間モジュール１２受電コイル３１がレピータとして電力を中継しているか否かに基づいて、中間モジュール１２を構成する各素子の破壊を防止している。

以上説明した第１実施形態では、末端モジュール１３の受電コイル４１は、送電コイル２１からの電力を受け取る受電コイルとして機能する。また、中間モジュール１２の受電コイル３１は、送電コイル２１から電力を受け取るだけでなくレピータとしても機能する。これらの受電コイル３１は実負荷３５が接続され、受電コイル４１は実負荷４５が直接接続されている。すなわち、実負荷３５は受電コイル３１で受け取った電力によって駆動され、実負荷４５は受電コイル４１で受け取った電力によって駆動される。そのため、受電コイル３１と実負荷３５との間、および受電コイル４１と実負荷４５との間には、例えばトランスなどの電力を変換するための変換手段を必要としない。すなわち、受電コイル３１と実負荷３５との間、および受電コイル４１と実負荷４５との間は、トランスなどの電力変換手段を経由することなく直接電気的に接続される。したがって、受電コイル３１を含む中間モジュール１２、および受電コイル４１を含む末端モジュール１３の大型化を招くことがない。また、第１実施形態では、電力変換手段を必要としないので、電力の変換にともなうエネルギーの減衰が抑えられ、機器の大型化を招くことなく、電力の効率的な伝達を確保することができる。さらに、第１実施形態では、電力の効率的な伝達によって送電側の電力供給部２２および送電コイル２１も電気的な容量が低減される。したがって、小型化を促進することができ、工場設備やロボットへの導入を容易にすることができる。

また、第１実施形態では、中間モジュール１２において受電コイル３１および実負荷３５と並列に補助負荷３６を挿入している。これにより、仮に受電コイル３１と実負荷３５との間が電気的に遮断された開放状態となっても、受電コイル３１は補助負荷３６との間で閉回路を形成する。そのため、受電コイル３１は、実負荷３５の駆動状態に関わらず、安定してレピータとしての機能が確保される。したがって、受電コイル３１と実負荷３５とを直接接続する場合でも、給電距離を延長することができるとともに、送電モジュール１１から末端モジュール１３へ安定した給電を図ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の場合、図９に示すようにワイヤレス給電装置１０の中間モジュール１２は、実負荷取得部３３６および負荷変更部３３７を備えている。具体的には、中間モジュール１２は、ＣＰＵ３３１においてコンピュータプログラムを実行することにより、実負荷取得部３３６および負荷変更部３３７をソフトウェア的に実現している。なお、実負荷取得部３３６および負荷変更部３３７は、ＣＰＵ３３１の一体の電気回路としてハードウェア的に実現してもよく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現してもよい。

第２実施形態の場合、補助負荷５０は、負荷の大きさを変更可能な可変負荷である。補助負荷５０は、例えば可変コイルや可変コンデンサなどで構成されている。実負荷取得部３３６は、中間モジュール１２の実負荷３５における消費電力、印加される電圧または実負荷に流れる電流などの少なくともいずれかを実負荷から取得する。このように、実負荷取得部３３６は、中間モジュール１２の実負荷３５における負荷の大きさを取得する。負荷変更部３３７は、実負荷取得部３３６で取得した実負荷３５の負荷に基づいて、補助負荷５０の負荷を変更する。すなわち、負荷変更部３３７は、実負荷３５の負荷の大きさに基づいて、補助負荷５０の負荷の大きさを変更する。

上述の第１実施形態でも説明したように、実負荷３５の停止などにより受電コイル３１を含む電気的な回路が開放されると、中間モジュール１２の受電コイル３１はレピータとしての機能を十分に果たすことができない。そのため、中間モジュール１２は、受電コイル３１を含む電気的な回路をレピータとして機能させるために補助負荷５０を挿入している。一方、末端モジュール１３において受電可能な電力は、上述の図４で説明したように中間モジュール１２の受電コイル３１を流れる電流によって変化する。中間モジュール１２の受電コイル３１に実負荷３５を直接接続する場合、この中間モジュール１２の受電コイル３１を流れる電流は、実負荷３５の負荷の大きさによって変化する。すなわち、実負荷３５が接続された中間モジュール１２を中継して磁界共鳴によって給電する場合、送電モジュール１１の送電コイル２１と末端モジュール１３の受電コイル４１との間の給電効率は、中間モジュール１２における実負荷３５の負荷状況に応じて変化する。そのため、中間モジュール１２の実負荷３５と補助負荷５０との負荷の総和は、送電モジュール１１から末端モジュール１３への給電効率が高い値となるように維持することが好ましい。

そこで、第２実施形態では、実負荷取得部３３６が実負荷３５の負荷を取得し、取得した負荷の大きさに基づいて負荷変更部３３７は補助負荷５０の負荷の大きさを変更する。そして、負荷変更部３３７は、中間モジュール１２の実負荷３５と補助負荷５０との負荷の総和を一定値に維持する。これにより、中間モジュール１２の受電コイル３１に流れる電流は、実負荷３５の負荷の変化に関わらず、一定に維持される。この場合、負荷変更部３３７は、補助負荷５０の負荷を変更することにより、受電コイル３１を流れる電流を制御する。そして、この受電コイル３１における電流は、末端モジュール１３に供給する電力の伝達効率が一定水準以上となるように制御される。

このように第２実施形態では、負荷変更部３３７は、実負荷３５の負荷状態を常に監視する。そして、この負荷変更部３３７は、取得した実負荷３５の負荷に応じて、補助負荷５０の負荷を変更する。したがって、中間モジュール１２の受電コイル３１に接続された実負荷３５の負荷が変化する場合でも、給電効率および給電の安定性を高めることができる。また、ワイヤレス給電装置１０の全体における給電効率も高めることができる。

なお、第２実施形態では、中間モジュール１２の補助負荷５０を例に説明した。しかし、末端モジュール１３に補助負荷を設け、この末端モジュール１３の補助負荷の負荷の大きさを変更する構成としてもよい。このように末端モジュール１３においても補助負荷の負荷を変更することにより、末端モジュール１３において電力を受け取る効率をより高めることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、図１０に示すように上述した複数の実施形態によるワイヤレス給電装置１０を多関節型の産業用ロボット（以下、単に「ロボット」という。）６０に応用した例を示している。
ロボット６０は、複数の軸を中心に回転可能なアームを有している。図１０は、ロボット６０の簡略化した例として、第一アーム６１、第二アーム６２および台座部６３を有する例を示している。第一アーム６１は、設備に固定された台座部６３に対し中心軸を中心に相対的に旋回可能に設けられている。第一アーム６１と第二アーム６２とは、関節部６４を支点として相互に旋回可能である。この第二アーム６２は、先端すなわち第一アーム６１と反対側の端部に機能部６５を有している。機能部６５は、例えばマニピュレータやカメラなどの各種の機能を実現する部位である。

このようなロボット６０の場合、送電モジュール１１は、台座部６３に設けられる。この送電モジュール１１の送電コイル２１から出力された電力は、最終的に第二アーム６２の先端に設けられている機能部６５において動力源として用いられる。そのため、末端モジュール１３は、第二アーム６２の先端の機能部６５に設けられる。

ロボット６０の場合、台座部６３から機能部６５へ至る経路は、途中に関節部６４が位置する。そのため、レピータを用いることなく台座部６３に設けられている送電モジュール１１から機能部６５が設けられている末端モジュール１３へ電力を直接伝達することは難しい。そこで、ロボット６０に適用する場合、レピータとして機能する中間モジュール１２の受電コイル３１は、関節部６４に設けられる。一方、この関節部６４は、第一アーム６１と第二アーム６２とが互いに旋回する。この旋回のための駆動力としてモータが用いられる。このモータは、中間モジュール１２で受け取った電力によって駆動される。すなわち、モータは、中間モジュール１２の実負荷３５に相当し、中間モジュール１２の受電コイル３１で受け取った電力によって作動する。そして、送電モジュール１１から出力された電力は、一部が関節部６４のモータなどの実負荷３５によって消費されるとともに、末端モジュール１３の実負荷４５に相当する機能部６５によっても利用される。この場合、関節部６４のモータは、常に作動して電力を消費するのではなく、第一アーム６１と第二アーム６２との旋回時において間欠的に電力を消費する。すなわち、中間モジュール１２における実負荷３５に相当するモータの負荷は、電気的な断続を繰り返しながら変化する。

そこで、第１実施形態または第２実施形態のワイヤレス給電装置１０を適用することにより、末端モジュール１３に接続した機能部６５は、中間モジュール１２に接続したモータの作動状態に関わらず、安定した電力の供給を受けることができる。また、ワイヤレス給電装置１０は、実負荷３５および実負荷４５が直接接続されている。そのため、ワイヤレス給電装置１０は、小型化が図られ、容易にロボット６０へ内蔵することができる。ワイヤレス給電装置１０を応用することにより、ロボット６０は、台座部６３から関節部６４、および関節部６４から機能部６５へ電力を供給するためのケーブルなどを必要としない。これらのケーブルを省略することにより、ケーブルやこれを保護するための部材を必要とせず、これらを収容する空間も不要となる。また、各部の旋回などによるケーブルと他の部品との接触、およびこれらの接触にともなう騒音や損傷も低減される。その結果、ロボット６０の構造を簡略化することができるとともに、静音化および寿命の延長も図ることができる。

（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
上述の複数の実施形態では、送電モジュール１１と末端モジュール１３との間に一つの中間モジュール１２を挿入する例について説明した。しかし、中間モジュール１２は、一つに限らず、二つ以上を挿入することができる。例えば、六軸の多関節型ロボットにワイヤレス給電装置１０を適用する場合、三つ以上の中間モジュール１２を挿入し、台座部６３に設けた末端モジュール１３から先端の機能部６５まで電力を供給する構成とすることができる。

図面中、１０はワイヤレス給電装置、２１は送電コイル、２２は電力供給部、３１、４１は受電コイル、３５、４５は実負荷、３６、５０は補助負荷、３３６は実負荷取得部（実負荷取得手段）、３３７は負荷変更部（負荷変更手段）を示す。

Claims (2)

1. 電力供給部から電力が供給される送電コイルと、
   前記送電コイルから磁界共鳴によって前記送電コイルと非接触で電力を受け、電力の伝達を中継するレピータとして機能する受電コイルと、
   前記受電コイルに接続され、前記受電コイルで受け取った電力を交流から直流に整流する整流器と、
   前記受電コイルに接続され、前記整流器で整流された電力で駆動する実負荷と、
   前記受電コイルと前記整流器との間において、前記整流器、前記受電コイルおよび前記実負荷と並列に挿入され、前記実負荷への電力の供給が遮断された開放状態のとき、前記受電コイルとの間で電流が流れる閉鎖した回路を形成し、前記実負荷の駆動状態に関わらず前記受電コイルへの通電を維持し安定したレピータの機能を確保する補助負荷と、
   を備えるワイヤレス給電装置。
2. 前記実負荷の負荷を取得する実負荷取得手段と、
   前記実負荷取得手段で取得した前記実負荷の負荷に基づいて、前記補助負荷の負荷を変更する負荷変更手段と、
   をさらに備える請求項１記載のワイヤレス給電装置。

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