JP7169897B2 - 受電ユニット、送電ユニット及び無線給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線給電装置に関する。

携帯端末などの小型電子機器では小型、薄型化が進んでいるが、充電の時のコネクタ接続が煩わしく、無線給電による充電が要求されている。

無線給電においては、マイクロ波などの電波を用いるものや磁気的磁界結合を用いた電磁誘導方式などが検討されている。マイクロ波は伝送距離に優れるものの伝送効率が悪く実用化には至っていない。これに対し、電磁誘導方式は伝送距離が数ｃｍ程度であるが送受電に用いられるコイルの伝送効率は９０％程度の高い効率が得られていることから、無線充電には磁界結合による伝送が主流になると考えられる。しかし、伝送距離が短い電磁誘導方式では、送電コイルと受電コイルとの位置を合わせる必要があり、使い勝手が良くないものである。

また、電動機などの回転体では、故障予知などを目的に、シャフトにひずみゲージや加速度センサなどのセンサを実装して計測データを取得する回転体センシングが要求されている。回転体センシングでは回転するセンサに電力を供給し、センサデータを取得する必要がある。既存のスリップリングなどの機械的接点を有する構成は、接点が摩耗するため定期的な交換が必要となり、さらに、接点から発生するノイズによって、伝送されるデータが劣化する恐れがあることから、無線による給電及びデータ伝送が望ましい。

特許文献１に記載された回転体用無線通信システムは、回転体などの可動部において非接触で給電するもので、その構成は、図１５に示すように、固定された送電コイルから、回転体に巻き付けられた受電コイルに対して給電するものである。

図示するように、シャフト３の周方向に細長い形状の受電コイル１５０６が巻き付けられており、受電コイル１５０６内には複数の共振器１５０７が配置される。また、受電コイル１５０６の近傍には送電コイル１５０５が配置されている。送電コイル１５０５と受電コイル１５０６との磁気的結合によって、入力端子１５０１、１５０２に入力された高周波電力は受電コイル１５０６に非接触伝送され、出力端子１５０３、１５０４より出力される。このとき、共振器１５０７は、送電周波数と等しい周波数で共振することによって、送電コイル１５０５と受電コイル１５０６との間の伝送効率を向上させている。以上の構成では、受電コイル１５０６に複数の共振器１５０７を配置することによって、送電コイル１５０５からの送電電力を高効率で無線給電している。

特開２０１３－３４１４０号公報

前述した特許文献１の（図１５に示す）構成では、伝送効率を向上するために、受電コイル１５０６のループ内に複数の共振器１５０７を配置した構成となっており、さらに、各共振器１５０７が独立している。このとき、共振器１５０７の共振周波数が同じでも、各共振器１５０７は独立しているため、送電コイル１５０５と共振器１５０７との結合状態により各共振器１５０７に流れる電流の大きさと位相は異なってくる。例えば、共振器１５０７と送電コイル１５０５とが対向している場合と、隣り合う二つの共振器１５０７の境界に送電コイル１５０５がある場合では、各共振器１５０７に流れる電流の大きさと位相が異なる。このため、シャフト３の回転角によって受電電圧が変動する。特に隣り合う共振器１５０７に流れる電流が逆相になる場合は、互いの磁束を打ち消し合うため伝送効率が大幅に低下する。

受電電圧が変動すると、回転体センシングではセンサ電圧が不安定となることからセンサ検出精度が劣化する。また、負荷変調を用いたセンサデータ伝送では、受電電力信号に振幅変調をかけて送電側にデータを伝送するが、受電電圧が変動すると誤ったデータが伝送される。

さらに、共振器の構成状の要因の他に、シャフトの偏心や製造上の誤差などにより送電コイルと受電コイルの間の距離が変わることによって、シャフトの回転角で伝送効率が変動し、負荷変調によるデータ伝送に誤動作が発生する場合がある。

さらに、送電コイルと受電コイルとの厳密な位置合わせを必要とせず、所定の位置からずれた位置に置かれても十分な電力を供給でき、高効率な無線給電方法が求められている。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、無線で電力を伝送する無線給電装置であって、送電ユニットから送電される電力を受電する受電ユニットと、前記受電ユニットへ電力を供給する送電ユニットとを備え、前記送電ユニットは、記受電ユニットの受電コイルとの磁気的結合によって電力を送電する送電コイルと、所定の周波数の送電信号を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段で高周波成分を除去するフィルタと、磁気の変化によって前記受電コイルの回転周期を検出する磁気検出部と、負荷変調に誤動作が発生するタイミングを算出する制御回路とを有し、前記送電コイルの各々と共振容量とによって、送電周波数に等しい周波数で共振し、ループ状に接続された第１直列共振回路を構成し、前記増幅器及び前記フィルタによって前記第１直列共振回路の共振周波数と等しい周波数の送電電力を生成し、前記制御回路は、負荷変調に誤動作が発生したタイミングの前後の所定期間のセンサデータが除外されたセンサデータを出力し、前記受電ユニットは、前記送電ユニットの送電コイルとの磁気的結合によって電力を受電する複数の受電コイルと、前記受電コイルに近接して配置される負荷コイルと、整合回路を介して前記負荷コイルに接続される整流回路と、前記整流回路の出力を変換する電源回路とを有し、前記複数の受電コイルは、シャフトの軸に対して対称になるように、前記シャフトの周方向に配置され、前記シャフトには、磁石が取り付けられており、前記複数の受電コイルの各々と共振容量とによって、送電周波数に等しい周波数で共振する複数の第２直列共振回路を構成し、前記複数の第２直列共振回路は直列にループ状に接続されており、前記負荷コイルは前記第２直列共振回路から受電電力を取り出すことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、電力の伝送効率の変動を抑制できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。

第１の実施例の無線給電装置の構造を示す図である。 第１の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図である。 第１の実施例の無線給電装置のコイルの動作を示す図である。 第１の実施例の無線給電装置の伝送特性を示す図である。 第１の実施例の無線給電装置の伝送効率の周波数特性を示す図である。 第２の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図である。 第３の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図である。 第３の実施例の無線給電装置の構造を示す図である。 第４の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図である。 第４の実施例の無線給電装置の構造を示す図である。 第４の実施例の無線給電装置の動作の特性図である。 第４の実施例の無線給電装置が実行する処理のフローチャートである。 第５の実施例の無線給電装置の構成を示す図である。 第６の実施例の無線給電装置の構成を示す図である。 従来の無線給電装置の一例を示す図である。

本発明の実施例では、無線給電装置、例えば、携帯端末など小型電子機器のバッテリに非接触により充電するための無線給電、及び回転体に実装したセンサなどへの無線給電、さらに、センサからのセンサデータを無線給電中に通信可能な無線給電技術について説明する。

＜実施例１＞
図面を参照しながら第１の実施例を説明する。図１は、第１の実施例の無線給電装置の構造を示す図であり、図２は、回路構成を示す図である。

まずは、図１を用いて、第１の実施例の無線給電装置の全体構成を説明する。第１の実施例の無線給電装置は、送電部１と受電部２とに分かれて構成されている。送電部１は、送電回路４、送電コイル台５、送電コイル１０１及び共振容量１０２を有する。受電部２は、受電コイル台６、クランプ部７ａ、７ｂ、受電回路８、回路実装部９ａ、９ｂ、支持部１０、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、負荷コイル１１２及び共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを有する。

受電部２は、支持部１０を支点として開閉可能に構成されたクランプ部７ａ、７ｂによって、回転体であるシャフト３に固定されており、シャフト３と共に回転又は回動可能となっている。クランプ部７ａ、７ｂの外周には、受電コイル台６が、例えば貼付によって、取り付けられている。さらに、受電コイル台６には、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃがシャフト３の周方向に互いに接近して配置されている。受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、シャフト３の軸に対称となるように、すなわちクランプ部７ａ、７ｂの周方向に等間隔に配置されている。各受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃには、共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが直列に接続され、各々直列共振回路を構成している。これら直列共振回路はループ状に直列に接続されている。また、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの外周には負荷コイル１１２が配置され、負荷コイル１１２の出力が受電回路８に接続されている。受電回路８は、シャフトクランプ部７ａ、７ｂの軸方向に空けられた回路実装部９ａ内に構成される。また、受電コイル台６とクランプ部７ａ、７ｂとの間に、磁気を遮断する磁性シート（図示省略）を設けることによって、シャフト３の金属部により受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃのインダクタンス及び負荷コイル１１２のインダクタンス値が低下しないようにしている。さらに、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ及び負荷コイル１１２はポリイミドなどの樹脂材料で構成される絶縁性シート上にパターンを形成して構成されている。

また、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの近傍には送電部１が配置される。送電部１の送電コイル台５上には送電コイル１０１が配置され、共振容量１０２を介して送電回路４に接続されている。送電コイル台５は、シャフト３の周に沿うように円弧状に形成され、送電コイル台５上に配置される送電コイル１０１も円弧状に形成される。図では、送電コイル１０１は送電コイル台５の外周に形成されているが、送電コイル１０１を送電コイル台５の内周側に形成してもよいし、ポリイミドなどの絶縁性シート上に形成された導電パターンを貼付してもよい。送電コイル１０１は、シャフト３の周方向に沿って受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの外側に配置される。送電コイル１０１は、シャフト３の周方向の長さが半周以下である大きさにするとよい。

図２に示すように、第１の実施例の無線給電装置は、送電回路４が、信号源２０１、Ｅ級アンプ２０２、ローパスフィルタ２１０、センサデータ出力端子２０３、受信機２０４及びアンテナ２０５を有し、受電回路８が、整合回路２２０、整流回路２３０、電源回路２４１、送信機２４２、ＡＤコンバータ２４３、センサ２４４及びアンテナ２４５を有する。本実施例では、増幅効率を向上する観点でＥ級の送電アンプを使用するが、他の形式の送電アンプを用いてもよい。ローパスフィルタ２１０は、静電容量２１１、２１３及びインダクタ２１２によるπ型のフィルタである。整合回路２２０は、静電容量２２１及びインダクタ２２２、２２３による平衡タイプのＬ型整合回路であり、ローパスフィルタとしても機能する。整流回路２３０は、整流ダイオード２３１、２３２、２３３、２３４から構成される全波整流回路と平滑容量２３５により構成される。電源回路２４１から出力される電源は、送信機２４２、ＡＤコンバータ２４３及びセンサ２４４に供給される。センサ２４４は、周辺の物理量（例えば、ひずみ量、加速度、温度など）を計測する。

図２を用いて第１の実施例の無線給電装置の動作を説明する。信号源２０１からの送電周波数の送電信号はＥ級アンプ２０２によって増幅され、ローパスフィルタ２１０に入力される。この送信信号は、送電コイル１０１と共振容量１０２とにより形成される直列共振回路、及び受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃと共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃとにより形成される直列共振回路の共振周波数で変化する高周波信号である。ローパスフィルタ２１０は、入力された送電信号のうちＥ級アンプで発生した高調波成分を低減し、送電コイル１０１と共振容量１０２より形成される直列共振回路に基本波を印加する。送電コイル１０１及び共振容量１０２の共振周波数は送電周波数と等しい値としているため、送電コイル１０１には大きな共振電流が流れ強い磁界が発生する。また、送電コイル１０１の近傍に設置された受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、それぞれ共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃによって直列共振回路が形成されていることから、送電コイル１０１が発生した強い磁界（磁束）は、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに共振電流を誘起する。また、各直列共振回路がループ状に接続されていることから、各受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃには同じ大きさの共振電流が流れる。受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、周囲に配置された負荷コイル１１２と磁気的結合しているので、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに流れる共振電流によって、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが受電した電力が取り出される。受電した電力は、整合回路２２０においてインピーダンスを整合した後、整流回路２３０によって直流電圧に変換され、電源回路２４１によって一定の電圧が出力され、電源としてセンサ２４４に供給される。また、センサ２４４のセンサ出力は、ＡＤコンバータ２４３によってＡＤ変換され、送信機２４２及びアンテナ２４５によって無線信号として送信される。送信された信号は、アンテナ２０５及び受信機２０４によって受信及び復調され、センサデータとして出力端子２０３より出力される。

以上の構成では、回転体に設置したセンサ２４４へ無線給電を行うとともに、無線機（送信機２４２、受信機２０４）がセンサデータを伝送することによって、非接触による給電及びデータ伝送が可能となる。しかし、電源回路２４１は、ある程度の入力電圧の変動を吸収して一定の電圧を出力するが、回転角により伝送効率が変動して受電電圧の変動が大きくなると、電源回路２４１の応答性が追従できなくなる。このため、センサ２４４に供給される電源電圧にリップルが発生して、センサ２４４からの出力電圧が変動し、センサ２４４の検出精度が低下する。このため、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに流れる電流を等しくし、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃがシャフト３の軸に対称に配置し、隣り合うコイル同士が近接して配置されることから、送電コイル１０１との磁気結合によって隣り合う受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに流れる電流が逆相となる。このため、隣り合う受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃで磁界が打ち消すことによる受電効率の低下を抑制できる。また、回転角によらず、送電コイル１０１と受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃとの結合の強さをほぼ一定にできるので、回転角による伝送効率の変動を抑制できる。これにより、センサ検出精度の劣化を抑制できる。

なお、図では３個の受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを設けたが、これに限定されるものではない。また、負荷コイル１１２を１ターンで構成したが、後段の整合回路２２０によってインピーダンスが整合すれば、２ターン以上でもよい。

次に、図３を用いて、回転角による伝送効率の変動が少なくなる動作原理を説明する。図３は、図２における共振容量１０２、送電コイル１０１、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ及び負荷コイル１１２を示し、他の構成は省略した。図において、複数の受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、各受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに流れる電流が同位相となるように直列接続してループを形成しており、隣り合う受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは周方向に接近するように配置され、さらにシャフト３の軸に対称にされている。このため、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの近接する配線に流れる電流は同じ大きさで逆向きとなる。さらに、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃをシャフト３に巻き付けると、その両端が接近することから、シャフト３の軸方向に流れる電流による磁束は打ち消される。さらに、共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの配線に流れる電流も同じ大きさで逆向きとなるので、共振容量１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの配線が生じる磁束も打ち消される。このため、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが発生する磁束の密度は周方向で一定の大きさとなり、回転による伝送効率の変動を抑制できる。

図４、図５は、第１の実施例の送受電コイルと図１５で示す従来技術の送受電コイルの伝送特性の実験結果を示す。実験は、直径が８２ｍｍのシャフトを用い、２７ｍｍ×９０ｍｍの大きさで６ターンの受電コイルを３個シャフトの周囲に配置し、受電コイルの周囲に約５ｍｍ離して１ターンの負荷コイル１１２を配置し、受電コイルから１０ｍｍ離れた位置の送電コイルによって給電した。また、図１５に示す従来技術の送受電コイルも、前述と同じ形状受電コイル毎に独立した共振回路を形成し実験した。

図４は、第１の実施例の送受電コイル間の伝送特性と図１５で示す従来技術の送受電コイル間の伝送特性の実験結果を示す図である。図の横軸は回転角であり、縦軸はコイル間の伝送効率である。図示するように、従来技術では回転角によって伝送効率が１０％程度変動するが、第１の実施例の送受電コイルでは、回転角によらす伝送効率がほぼ一定であることが分かる。

図５は、図の横軸は周波数であり、縦軸はコイル間の伝送特性である。図示するように、従来技術の送受電コイルでは、伝送効率が大幅に低下する周波数があるが、第１の実施例の送受電コイルでは、通過帯域内で伝送効率の大幅な低下は見られない。これは、隣り合うコイルの位相が互いに逆相となることで磁束が打ち消されているためであると考えられる。

以上に説明したように、第１の実施例では、受電コイルと鎖交する磁束が一定になることから、回転角による伝送効率の変動を抑制できる。

＜実施例２＞
第２の実施例は、センサで検出したデータの変化に従った受電側コイルのインピーダンスの変化による送電電力の反射波の変化を利用して通信を行う負荷変調方式を用いる点で、前述した第１の実施例と異なる。第２の実施例では、前述した実施例との相違点を主に説明し、第１の実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。

図６は、第２の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図である。

第２の実施例の無線給電装置は、送電回路４が、信号源２０１、Ｅ級アンプ２０２、ローパスフィルタ２１０、センサデータ出力端子２０３、受信機２０４、アンテナ２０５、コモンモードフィルタ６００、データ信号要求端子６０２、抵抗６０３、スイッチング素子（電界効果トランジスタ）６０４Ａ、６０４Ｂ、復調出力端子６０５、復調回路６０６、抵抗６０７ａ、６０７ｂ及び抵抗６０８を有し、受電回路８が、整合回路２２０、整流回路２３０、電源回路２４１、送信機２４２、ＡＤコンバータ２４３、センサ２４４、アンテナ２４５、コモンモードフィルタ６１０、電界効果トランジスタ６２２Ａ、６２２Ｂ、静電容量６２１、検波回路６２３及びタイマ回路６２４を有する。コモンモードフィルタ６００はトロイダルコアなどにより互いに強結合されたコイルトランス６０１ａと６０１ｂによって構成され、同様にコモンモードフィルタ６１０もトロイダルコアなどにより互いに強結合されたコイルトランス６１１ａと６１１ｂによって構成される。

データ信号要求端子６０２から入力された要求信号によりスイッチング素子６０４ａ、６０４ｂがオン状態となると、抵抗６０３が抵抗６０８を介して接地されるため、ローパスフィルタ２１０の送電信号レベルが低下し、受電側の負荷コイル１１２の受電電圧が低下する。受電側の検波回路６２３が受電電圧の低下を検出し、タイマ回路６２４をオン状態とする。タイマ回路が所定時間オン状態となることによって、ＡＤコンバータ２４３がイネーブル状態となり、タイマ回路がオン状態となる所定時間だけセンサ２４４が出力するセンサ値がＡＤコンバータ２４３でＡＤ変換される。そして、電界効果トランジスタ６２２ａ、６２２ｂは、デジタル値に変換されたセンサデータによってオン・オフする。これにより、静電容量６２１を介して負荷コイル１１２のインピーダンスが変化するため、送電電力の反射波が変化する。この変化を送電側の復調回路６０６が検波・復調して復調出力端子６０５からセンサデータを出力する。

以上の構成では、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃで構成される直列共振回路を直列接続することによって、回転角による受電電圧(伝送効率)の変動が少なくなることから、負荷変調によるセンサデータ通信が可能となる。

なお、スイッチング素子６０４ａのドレインに接続された抵抗６０３の値を小さくすればトリガとなる送電電力の変化は大きくなるが、送電効率が低下する。同様に電界効果トランジスタ６２２ａのドレインに接続された静電容量６２１の値を大きくすれば負荷変調の変調度は大きくなるが、受電効率が低下する。このため、抵抗６０３の値及び静電容量６２１の値を適切に設定する必要がある。また、タイマ回路６２４がオンとなる所定時間は、ＡＤコンバータ２４３の１変換サイクル時間よりも若干長く設定している。これは、ＡＤ変換されたデータ値で電界効果トランジスタ６２２のオン・オフによる信号レベルの変化によって検波回路６２３が動作してＡＤコンバータ２４３をディスエーブル状態にしないためである（ＡＤ変換されたデータの通信中に検波回路６２３の出力を無効にするためである）。

さらに、送電側と受電側にそれぞれコモンモードフィルタ６００、６１０を設けることによって、送電コイル１０１、受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ及び負荷コイル１１２間で生じる寄生容量成分による結合を抑制し、伝送効率の低下を抑制して、さらにコモンモードのリップルの受電電圧への重畳を抑制している。

＜実施例３＞
第３の実施例は、クランプ部７ａ、７ｂに巻き付ける受電コイル７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃのうち、両端部分の受電コイル７０１ａ、７０１ｃの形状を変形する点で、前述した第１の実施例と異なる。第３の実施例では、前述した実施例との相違点を主に説明し、第１の実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。

図７は、第３の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図であり、図８は、その構造を示す図である。

第３の実施例の無線給電装置は、送電回路４が、信号源２０１、Ｅ級アンプ２０２、ローパスフィルタ２１０、センサデータ出力端子２０３、受信機２０４及びアンテナ２０５、を有し、受電回路８が、整合回路２２０、整流回路２３０、電源回路２４１、送信機２４２、ＡＤコンバータ２４３、センサ２４４及びアンテナ２４５を有する。

図７及び図８に示す構成は、第１の実施例と比較して、クランプ部７ａ、７ｂに巻き付ける受電コイルの両端部分の受電コイル７０１ａ、７０１ｃの形状が異なる。各受電コイルのインダクタンス値をＬｒ１、Ｌｒ２、Ｌｒ３、コイルの面積をＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした場合、各コイルでインダクタンス値と面積の比が等しくなる条件（式１）を満たすような形状に受電コイル７０１ａ、７０１ｃを構成している。
Ｌｒ１／Ｓ１＝Ｌｒ２／Ｓ２＝Ｌｒ３／Ｓ３ …（１）

これは、各コイルに流れる電流は同じであるため、式２を満たすと各コイルの磁束密度が等しくなるため、インダクタンス値と面積の比を等しくすることによって、各コイルで発生する磁束密度を等しくできる。すなわち、この条件を満たせば、コイル形状が異なっても回転角による伝送効率変動を抑制できる。
（Ｌｒ１／Ｓ１）Ｉ＝（Ｌｒ２／Ｓ２）Ｉ＝（Ｌｒ３／Ｓ３）Ｉ …（２）

図８に第３の実施例の無線給電装置の構成例を示す。第１の実施例の構成と異なる点を説明する。図において、受電側はクランプ部７ａ、７ｂによりシャフト３を挟んで固定する構造であるが、シャフト３の径によってはクランプ部７ａ、７ｂが近接する箇所で隙間ｇが空く場合がある。このとき、受電コイル７０１ａと７０１ｃとの間隔が隙間ｇの分、他の受電コイル間より広くなり、磁束密度が低下するため、隙間ｇが送電コイル１０１の近傍を通過する際に伝送効率が低下する。このため、端部の受電コイル７０１ａ、７０１ｃの端部付近の幅を広くすることによって、隙間ｇが通過する際の磁束密度の低下を抑制する。このとき、コイルのインダクタンス値と面積比が各コイルで等しくなるようにするので、コイルを変形する場合でも容易に設計できる。

＜実施例４＞
第４の実施例は、磁石９０４及びホール素子９０３によって回転周期を検出し、伝送効率の変化に応じて伝送されたデータを破棄する点で、前述した第２の実施例と異なる。第４の実施例では、前述した実施例との相違点を主に説明し、第２の実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。

図９は、第４の実施例の無線給電装置の回路構成を示す図であり、図１０は、その構成示す図である。

第４の実施例の無線給電装置は、送電回路４が、信号源２０１、Ｅ級アンプ２０２、ローパスフィルタ２１０、センサデータ出力端子２０３、受信機２０４、アンテナ２０５、コモンモードフィルタ６００、データ信号要求端子６０２、抵抗６０３、スイッチング素子（電界効果トランジスタ）６０４Ａ、６０４Ｂ、復調出力端子６０５、復調回路６０６及び制御回路９０２を有し、受電回路８が、整合回路２２０、整流回路２３０、電源回路２４１、送信機２４２、ＡＤコンバータ２４３、センサ２４４、アンテナ２４５、コモンモードフィルタ６１０、電界効果トランジスタ６２２Ａ、６２２Ｂ、静電容量６２１、検波回路６２３及びタイマ回路６２４を有する。

送電回路４の制御回路９０２には、ホール素子９０３の出力が入力される。ホール素子９０３は、受電回転側に設置された磁石９０４を検知するもので、送電コイルの近傍に設置される。シャフト３の回転に伴い磁石９０４がホール素子９０３付近を通過する際に、ホール素子９０３から信号が出力されることから、制御回路９０２は回転周期を検出できる。また、制御回路９０２には、データ信号要求信号及びセンサデータを入出力する復調出力端子６０５が接続される。

図示するように、回転体無線給電装置では、シャフト３の偏芯や、クランプ部７ａ、７ｂの直径のばらつきや、クランプ部７ａ、７ｂのシャフト３への取り付けの偏心によって、固定側の送電コイル１０１と回転側の受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃとの間の距離が回転角により変化し、伝送効率が変動する。このため、負荷変調によりデータを伝送する場合、コイル間で送電される電圧の変動が、負荷変調に重畳され、誤ったデータが伝送される。第４の実施例では、このようなコイル間距離の変化による負荷変調の誤動作を回避するために、負荷変調によるデータ伝送を開始する前（例えば電源投入時）に、誤動作が発生するかを確認した後にデータ伝送を開始する。図示するように、制御回路９０２は、電源オン時に、データ信号要求端子６０２にデータ要求信号を入力せずに、無線給電のみを行いながら１周以上シャフト３を回転する。このとき、復調回路６０６からのデータが出力された場合、負荷変調に誤動作が発生しているため、データが出力された回転角を、ホール素子９０３の周期検出値から相対的に求めて、制御回路９０２のメモリに記憶する。その後、制御回路９０２は、データ要求信号を出力し、センサデータの送信トリガを与える。そして、メモリに記憶されている誤動作発生の回転角付近のデータを破棄し、センサデータ出力端子９０１よりセンサデータを出力する。

図１０は、回転周期を検出するホール素子９０３の配置の一例を示す。送電コイル台５にホール素子９０３を実装し、受電コイル台６のホール素子９０３で検知可能な位置に磁石９０４を実装する。さらに、送電回路４に制御回路９０２を実装する。これにより、回転周期を検知できる。

図１１は、第４の実施例について、横軸を回転角で表した動作の特性図である。図１１（ａ）は、回転角によるホール素子９０３が磁石９０４を検出する例を示す。ホール素子９０３は、１周期ごとに磁石９０４を検出し、検出電圧を出力する。なお、図では、１周ごとに磁石９０４を検出するが、磁石９０４を１８０°ごとに設置すれば半周ごとの検知が可能となる。

図１１（ｂ）は、データ伝送を行っていないときの受電電力の一例を示す。図示した例では、１周のうち３箇所で伝送効率が変動している。このため、図１１（ｃ）に示すように、この３箇所の伝送効率の変動によって、復調出力が変化し、誤動作が発生している。よって、図１１（ｄ）に示すように、制御回路９０２は、誤動作が発生している箇所（回転角）のデータを破棄し、センサデータ出力端子９０１よりセンサデータを出力する。

図１２は、第四の実施例の制御回路９０２が実行する処理のフローチャートである。電源をオン状態としてＥ級アンプ２０２からの送電を開始する（Ｓ１２０１）。そして、ホール素子９０３により１周の時間を把握するため、データ要求信号は送信せずに１周以上シャフト３を回転する（Ｓ１２０２）。

この時、復調データが検出されなければ誤動作していないと判定されるので（Ｓ１２０３でＮｏ）、データ信号要求信号を出力して通常のデータ伝送を開始する（Ｓ１２０４）。一方、復調データが検出されると、負荷変調の誤動作が生じていると考えられることから（Ｓ１２０３でＹｅｓ）、誤動作が発生するタイミング（例えば、１周期における回転角）を把握する（Ｓ１２０５）。そして、送電側からデータ要求信号を出力してデータ伝送を開始し（Ｓ１２０６）、誤動作が検出された角度付近のセンサデータを破棄する（Ｓ１２０７）。センサデータの破棄の代わりに、誤動作が検出された角度付近で所定時間だけデータ要求信号の送信を停止してもよい。

第４の実施例では、センサデータを伝送する前（例えば電源オン時）に、データ信号を伝送しない状態で復調出力を検出して、誤動作の有無を判定するが、予め定められたパターンの信号（例えば０１が繰り返す周期的な信号）を受電側から１周以上送信し、予め定められたパターンのデータ出力を確認することでも、誤動作の有無や誤動作が発生するタイミングを判定きる。

第４の実施例では、以上の構成によって、送電コイルと受電コイルとの間の距離変動や隣り合う受電コイル間での非対称性などによって発生する回転角による効率変動による負荷変調の誤動作を回避できる。

＜実施例５＞
次に、第５の実施例として、フライス盤などの工作機械に無線給電装置を実装する例を説明する。第５の実施例では、前述した実施例との相違点を主に説明し、前述した実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。

図１３は、第５の実施例の無線給電装置の構成を示す図である。第５の実施例の工作機械は、主軸頭１３０２がベース１３０４及びコラム１３０３によって支持されており、主軸頭１３０２内には電動機（図示省略）が内蔵され、主軸１３０１を回転させる。主軸１３０１には、ツールホルダ部１３２０が取り付けられ、ツールホルダ部１３２０の先にはチャック１３０９によって工具１３１０が取り付けられている。電動機が回転すると工具１３１０が回転し、可動式テーブル１３０５の上に固定された被加工物を加工する。さらに、ツールホルダ部１３２０は、テーパ部１３１１、シャフト１３０８、受電部２、チャック１３０９及び工具１３１０よって構成され、シャフト１３０８には、ひずみゲージ１３２１ａ、１３２１ｂが取り付けられ、テーパ部１３１１が、主軸１３０１に嵌合することで、ツールホルダ１３２０が主軸１３０１に取り付けられるように構成されている。さらに、加工の種類によって工具を交換する必要があるため、異なる工具が装着されたツールホルダ部１３２０がターンテーブル１３０６に複数置かれており、ターンテーブル１３０６が回転し、さらに主軸１３０１方向に移動することによって、工具が交換可能となっている。

また、主軸１３０１に装着されたツールホルダ部１３２０の受電部２の近傍には、送電部１がアーム１３０７によって固定され、送電部１から受電部２への無線給電を行う。さらに、給電されて電源はひずみゲージ１３２１ａ、１３２１ｂに供給され、ひずみゲージ１３２１ａ、１３２１ｂを用いてひずみ量を計測することによって、シャフト１３０８の加工時にかかる応力データを取得できる。この時に用いられる送受電コイルは、前述した第１から第４の実施例（図２、図６、図７、図９）のいずれでもよい。

図示した例では、二つのひずみゲージ１３２１ａ、１３２１ｂを取り付け、２箇所でひずみを計測するが、歪みの計測箇所はこれに限らず、３箇所以上でもよい。また、センサは、加速度センサなど他の種類のセンサでもよい。

＜実施例６＞
次に、第６の実施例として、電気自動車に非接触で充電する例を説明する。第６の実施例では、前述した実施例との相違点を主に説明する。

図１４は、第６の実施例の無線給電装置の構成を示す図である。第６の実施例では、電気自動車１４２１のバッテリ１４２７に非接触で充電する構成であり、例えば、広範囲に給電コイル、１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃを配置すれば、走行中にも給電できる。図示するように、第６の実施例では、送電コイル及び受電コイルの構成が、前述した実施例とは逆であり、送電ユニット１４１では、送電コイル１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃと共振容量１４１３ａ、１４１３ｂ、１４１３ｃとによる直列共振が直列接続されてループ状に構成されている。その外周には、送電コイル１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃに送電電力を給電する給電コイル１４１１が配置されている。給電コイル１４１１には、信号源１４０１からの信号によってスイッチングされるスイッチングアンプ１４０２からの電源が、ローパスフィルタ１４０３を介して印加される。受電ユニット１４２では、受電コイル１４２２と共振容量１４２３の直列共振回路によって、送電コイル１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃからの送電電力を受電し、整合回路１４２４がインピーダンスを整合した後、整流回路１４２５が整流し、電源回路１４２６を介してバッテリ１４２７に充電される。

第６の実施例では、送電コイル１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃに流れる電流は同じになるため各コイルから発生する磁界の磁束密度が等しくなる。このため、電気自動車１４２１が走行中でも、送電コイル１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃが設置された範囲であれば、伝送効率の変動が少ない電力を受電できる。第６の実施例では、送電コイルに流れる電流の位相が逆相になり、磁界が打ち消され、送電電力が低下する箇所が生じることなく、コイル位置によらず安定した受電ができ、渋滞などで電気自動車１４２１が停止しても、継続して充電できる。

第６の実施例では、電気自動車の非接触充電を例示したが、小型電子機器（例えば、携帯電話機、スマートフォン、タブレット端末など）の非接触給電にも本発明の無線給電装置を適用できる。本発明の無線給電装置を小型電子機器に適用することによって、電子機器を充電のために置く位置を広くでき、所定の位置からずれた位置に置かれても十分な電力を供給できる。

以上に説明したように、本発明の実施例の受電ユニット２は、送電ユニット１の送電コイルとの磁気的結合によって電力を受電する複数の受電コイル１１１ａ～１１１ｃと、受電コイル１１１ａ～１１１ｃに近接して配置される負荷コイル１１２とを備え、複数の受電コイル１１１ａ～１１１ｃの各々と共振容量１１３ａ～１１３ｃとによって送電周波数に等しい周波数で共振する複数の直列共振回路を構成し、複数の直列共振回路は直列にループ状に接続されており、負荷コイル１１２は直列共振回路から受電電力を取り出すように構成したので、各受電コイル１１１ａ～１１１ｃに流れる電流の大きさと位相が同じになり、無線給電における伝送効率の変動を抑制できる。

また、複数の受電コイル１１１ａ～１１１ｃは、シャフト３の軸に対して対称になるように、シャフト３の周方向に配置されるので、シャフト３の回転による伝送効率の変動を抑制できる。

また、隣接する受電コイル（１１１ａと１１１ｂ、１１１ｂと１１１ｃ）は、当該二つの受電コイルの隣接する導線に流れる電流の向きが互いに逆になるように近接して配置されるので、隣接する導線に流れる電流による磁界が打ち消し合い、無線給電における伝送効率の変動を抑制できる。

また、複数の受電コイル１１１ａ～１１１ｃの各々は、インダクタンス値とコイルの面積との比が等しく設計されるので、受電コイルの間隔が広い箇所を通過する際の磁束密度の低下を抑制できる。このとき、コイルのインダクタンス値と面積比が各コイルで等しくなるようにするので、コイルを変形する場合でも容易に設計できる。

また、本発明の実施例の送電ユニット１４１は、受電ユニット１４２の受電コイル１４２２との磁気的結合によって電力を送電する複数の送電コイル１４１２ａ～１４１２ｃと、送電コイル１４１２ａ～１４１２ｃに近接して配置される給電コイル１４１１とを備え、複数の送電コイル１４１２ａ～１４１２ｃの各々と共振容量１４１３ａ～１４１３ｃとによって、送電周波数に等しい周波数で共振する複数の直列共振回路を構成し、複数の直列共振回路は直列にループ状に接続されており、給電コイル１４１１は直列共振回路に送電電力を供給するので、各送電コイル１４１２ａ～１４１２ｃに流れる電流の大きさと位相が同じになり、無線給電における伝送効率の変動を抑制できる。特に、送電側の広い範囲に受電コイル１４２２に送電できるので、所定の位置からずれた位置に受電コイル１４２２が置かれても十分な電力を供給できる。

また、隣接する送電コイル（１４１２ａと１４１２ｂ、１４１２ｂと１４１２ｃ）は、当該二つの送電コイルの隣接する導線に流れる電流の向きが互いに逆になるように近接して配置されるので、隣接する導線に流れる電流による磁界が打ち消し合い、無線給電における伝送効率の変動を抑制できる。

また、本発明の実施例の無線給電装置は、受電ユニット２と、受電ユニット２へ電力を供給する送電コイル１０１を有する送電ユニット１とを備え、送電ユニット１は、共振容量１０２とによって直列共振回路を構成する送電コイル１０１と、所定の周波数の送電信号を増幅する増幅器（Ｅ級アンプ２０２）と、Ｅ級アンプ２０２の後段で高周波成分を除去するローパスフィルタ２１０とを有し、Ｅ級アンプ２０２及びローパスフィルタ２１０によって直列共振回路の共振周波数と等しい周波数の送電電力を生成し、受電ユニット２は、整合回路２２０を介して負荷コイル１１２に接続される整流回路２３０と、整流回路２３０の出力を変換する電源回路２４１とを有するので、無線給電によって安定した電源を供給できる。

また、送電コイル１０１は、前記シャフトの周方向に沿った円弧状に形成されており、シャフト３の周方向に沿って受電コイル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの外側に周方向の長さが半周以下であるように配置されるので、簡単な構造で、容易に給電できる。

また、受電ユニット２は、電源回路２４１から電源が供給されるセンサ２４４と、センサ２４４から出力されるセンサデータを送信する送信機２４２とを有し、送電ユニット１は、前記受電ユニットから送信されたセンサデータを受信する受信機を有するので、センサの計測精度を向上できる。また、センサデータの伝送による電力伝送効率の変動を抑制して、効率的に電力を伝送できる。

また、受電ユニット２は、電源回路２４１から電源が供給されるセンサ２４４と、センサ２４４から出力されるセンサデータを送信するための信号を生成する負荷変調回路（トランジスタ６２２ａ、６２２ｂ）とを有し、送電ユニット１は、負荷変調回路が生成した信号を復調する復調回路６０６を有するので、センサの計測精度を向上できる。また、電力伝送と共に負荷変調によりセンサデータも伝送できる。このため、無線送受信機が不要となり、データ伝送にかかるコストを低減できる。

また、シャフト７には磁石９０４が取り付けられており、送電ユニット１は、磁気の変化によって受電コイル１１１ａ～１１１ｃの回転周期を検出する磁気検出部（ホール素子９０３）と、負荷変調に誤動作が発生するタイミングを算出する制御回路９０２とを有し、制御回路９０２は、負荷変調に誤動作が発生したタイミングの前後の所定期間のセンサデータが除外されたセンサデータを出力するので、送電コイル１０１と受電コイル１１１ａ～１１１ｃとの間の距離変動や隣り合う受電コイル１１１ａ～１１１ｃ間での非対称性などによって発生する回転角による効率変動による負荷変調の誤動作を回避できる。

また、負荷変調回路は、予め定められたパターンの誤動作検出用の信号を生成し、制御回路９０２は、負荷変調回路が生成した誤動作検出用の信号によって、誤動作が発生するタイミングを算出するので、回転角によって生じる負荷変調の誤動作を高精度に検出できる。

また、本発明の実施例の無線給電装置は、送電ユニット１４１と、送電ユニット１４１から送電される電力を受電する受電コイル１４２２を有する受電ユニット１４２とを備え、送電ユニット１４１は、共振容量１４１３ａ～１４１３ｃとによって直列共振回路を構成する送電コイル１４１２ａ～１４１２ｃと、所定の周波数の送電信号を増幅する増幅器１４０２と、増幅器１４０２の後段で高周波成分を除去するローパスフィルタ１４０３とを有し、増幅器１４０２及びローパスフィルタ１４０３によって直列共振回路の共振周波数と等しい周波数の送電電力を生成し、受電ユニット１４２は、整合回路１４２４を介して受電コイル１４２２に接続される整流回路１４２５と、整流回路１４２５の出力を変換する電源回路１４２６とを有するので、無線給電によって安定した電源を供給できる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細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本発明は限定されない。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てもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。

また、前述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により、ハードウェアで実現してもよく、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、実装上必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１ 送電部
２ 受電部
３、１３０８ シャフト
４ 送電回路
５ 送電コイル台
６ 受電コイル台
７ａ、７ｂ クランプ部
８ 受電回路
９ａ、９ｂ 回路実装部
１０ 支持部
１０１、１５０５、１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ 送電コイル
１０２、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１４１３ａ、１４１３ｂ、１４１３ｃ 共振容量
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１５０６、７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ、１４２２ 受電コイル
１１２ 負荷コイル
２０１ 信号源
２０２ Ｅ級アンプ
２０３、９０１ センサデータ出力端子
２０４ 受信機
２０５、２４５ アンテナ
２１０、１４０３ ローパスフィルタ
２１１、２１３、２２１、６２１ 静電容量
２１２、２２３、２２４ インダクタ
２２０、１４２４ 整合回路
２３０、１４２５ 整流回路
２３１、２３２、２３３、２３４ 整流ダイオード
２３５ 平滑容量
２４１、１４２６ 電源回路
２４２ 送信機
２４３ ＡＤコンバータ
２４４ センサ
３０１，３０２、１５０１、１５０２ 入力端子
３０４，３０５、１５０３、１５０４ 出力端子
１５０７ 共振器
６００、６０１ コモンモードフィルタ
６０１ａ、６０１ｂ、６１１ａ、６１１ｂ コイルトランス
６０２ データ信号要求端子
６０３ 抵抗
６０４ａ、６０４ｂ、６２２ａ、６２２ｂ スイッチング素子
６０５ 復調出力端子
６０６ 復調回路
６０７ａ、６０７ｂ 抵抗
６２３ 検波回路
６２４ タイマ回路
９０２ 制御回路
９０３ ホール素子
９０４ 磁石
１３０１ 主軸
１３０２ 主軸頭
１３０３ コラム
１３０４ ベース
１３０５ テーブル
１３０６ ターンテーブル
１３０７ アーム
１３０９ チャック
１３１０ 工具
１３１１ テーパ部
１３２０ ツールホルダ部
１３２１ａ、１３２１ｂ ひずみゲージ
１４０１ 信号源
１４０２ スイッチング電源
１４１１ 給電コイル
１４２７ バッテリ

Claims (7)

1. 無線で電力を伝送する無線給電装置であって、
   送電ユニットから送電される電力を受電する受電ユニットと、
   前記受電ユニットへ電力を供給する送電ユニットとを備え、
   前記送電ユニットは、
   前記受電ユニットの受電コイルとの磁気的結合によって電力を送電する送電コイルと、所定の周波数の送電信号を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段で高周波成分を除去するフィルタと、磁気の変化によって前記受電コイルの回転周期を検出する磁気検出部と、負荷変調に誤動作が発生するタイミングを算出する制御回路とを有し、
   前記送電コイルの各々と共振容量とによって、送電周波数に等しい周波数で共振し、ループ状に接続された第１直列共振回路を構成し、
   前記増幅器及び前記フィルタによって前記第１直列共振回路の共振周波数と等しい周波数の送電電力を生成し、
   前記制御回路は、負荷変調に誤動作が発生したタイミングの前後の所定期間のセンサデータが除外されたセンサデータを出力し、
   前記受電ユニットは、前記送電ユニットの送電コイルとの磁気的結合によって電力を受電する複数の受電コイルと、前記受電コイルに近接して配置される負荷コイルと、整合回路を介して前記負荷コイルに接続される整流回路と、前記整流回路の出力を変換する電源回路とを有し、
   前記複数の受電コイルは、シャフトの軸に対して対称になるように、前記シャフトの周方向に配置され、
   前記シャフトには、磁石が取り付けられており、
   前記複数の受電コイルの各々と共振容量とによって、送電周波数に等しい周波数で共振する複数の第２直列共振回路を構成し、
   前記複数の第２直列共振回路は直列にループ状に接続されており、
   前記負荷コイルは前記第２直列共振回路から受電電力を取り出すことを特徴とする無線給電装置。
2. 請求項１に記載の無線給電装置であって、
   隣接する前記受電コイルは、当該二つの受電コイルの隣接する導線に流れる電流の向きが互いに逆になるように近接して配置されることを特徴とする無線給電装置。
3. 請求項１に記載の無線給電装置であって、
   前記複数の受電コイルの各々は、インダクタンス値とコイルの面積との比が等しいことを特徴とする無線給電装置。
4. 請求項１に記載の無線給電装置であって、
   前記送電コイルは、前記シャフトの周方向に沿った円弧状に形成されており、前記シャフトの周方向に沿って前記受電コイルの外側に周方向の長さが半周以下であるように配置されることを特徴とする無線給電装置。
5. 請求項１に記載の無線給電装置であって、
   前記受電ユニットは、前記電源回路から電源が供給されるセンサと、前記センサから出力されるセンサデータを送信する送信機とを有し、
   前記送電ユニットは、前記受電ユニットから送信されたセンサデータを受信する受信機を有することを特徴とする無線給電装置。
6. 請求項１に記載の無線給電装置であって、
   前記受電ユニットは、前記電源回路から電源が供給されるセンサと、前記センサから出力されるセンサデータを送信するための信号を生成する負荷変調回路とを有し、
   前記送電ユニットは、前記負荷変調回路が生成した信号を復調する復調回路を有することを特徴とする無線給電装置。
7. 請求項６に記載の無線給電装置であって、
   前記負荷変調回路は、前記負荷変調の誤動作検出用の周期的な信号を生成し、
   前記制御回路は、前記負荷変調回路が生成した周期的な信号によって、誤動作が発生するタイミングを算出することを特徴とする無線給電装置。

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