(57)【要約】【課題】２本の平行線路電極からの信号伝送の品質を向上させる。【解決手段】差動線路モジュールは、差動信号が印加される２本の平行線路電極である通信電極対と、前記通信電極対の周囲に配置された接地導体と、前記接地導体における前記通信電極対に対向した部分に配置された少なくとも１つの磁性体とを備える。前記通信電極対は、対向する他の通信電極対に信号を伝送する。【選択図】図１２Ｂ
2019176692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動信号が印加される２本の平行線路電極である通信電極対であって、対向する他の通信電極対に信号を伝送する通信電極対と、
前記通信電極対の周囲に配置された接地導体と、
前記接地導体における前記通信電極対に対向した部分に配置された少なくとも１つの磁性体と、
を備える差動線路モジュール。
【請求項２】
前記接地導体は、前記他の通信電極対が配置される側とは反対の側において前記通信電極対に対向する第１の面を有し、
前記磁性体は、前記第１の面に配置された部分を含む、
請求項１に記載の差動線路モジュール。
【請求項３】
前記磁性体は、
前記通信電極対の一方に対向する第１の部分と、
前記通信電極対の他方に対向する第２の部分と、
を含み、
前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間には空隙が存在する、請求項２に記載の差動線路モジュール。
【請求項４】
前記第１の部分および前記第２の部分は、前記通信電極対に沿って延びた構造を有する、請求項２または３に記載の差動線路モジュール。
【請求項５】
前記第１の面は前記通信電極対に平行である、請求項２から４のいずれかに記載の差動線路モジュール。
【請求項６】
前記接地導体は、前記通信電極対の各々の側部に対向する第２の面を有し、
前記磁性体は、前記第２の面に配置された部分を含む、
請求項１から５のいずれかに記載の差動線路モジュール。
【請求項７】
前記第２の面は、前記通信電極対に垂直であり、前記通信電極対の周囲を囲む、請求項６に記載の差動線路モジュール。
【請求項８】
前記通信電極対の一端に前記差動信号が入力され、
前記通信電極対の他端は、前記通信電極対と前記他の通信電極対とが結合するときの偶モードインピーダンスおよび奇モードインピーダンスの相乗平均のインピーダンスをもつ回路で終端されている、
請求項１から７のいずれかに記載の差動線路モジュール。
【請求項９】
相対的に運動する送電モジュールおよび受電モジュールの間で電力およびデータを無線で伝送する無線電力データ伝送装置における送電モジュールまたは受電モジュールとして用いられる伝送モジュールであって、
請求項１から８のいずれかに記載の差動線路モジュールと、
磁界結合による送電または受電を行うコイルと、
を備え、
前記接地導体は、前記通信電極対と前記コイルとの間に配置された部分を含む、
伝送モジュール。
【請求項１０】
前記通信電極対および前記コイルは、同一の平面上に位置する、
請求項９に記載の伝送モジュール。
【請求項１１】
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、相対的に回転可能であり、
前記コイルおよび前記通信電極対の各々は、同一の軸を中心とする円形状または円弧形状を有する、
請求項９または１０に記載の伝送モジュール。
【請求項１２】
前記通信電極対は、前記コイルの外側に位置する、請求項１１に記載の伝送モジュール。
【請求項１３】
前記送電モジュールと前記受電モジュールとを相対的に運動させるアクチュエータをさらに備える、請求項９から１２のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１４】
前記伝送モジュールは前記送電モジュールであり、
前記コイルに交流電力を供給する送電回路をさらに備える、
請求項９から１３のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１５】
前記伝送モジュールは前記受電モジュールであり、
前記コイルが受け取った交流電力を他の形態の電力に変換して出力する受電回路をさらに備える、
請求項９から１３のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１６】
前記通信電極対に接続され、前記通信電極対に差動信号を入力する通信回路をさらに備える、請求項９から１５のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１７】
相対的に運動する送電モジュールおよび受電モジュールの間で電力およびデータを無線で伝送する無線電力データ伝送装置であって、
前記送電モジュールと、
前記受電モジュールと、
を備え、
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールの少なくとも一方は、請求項９から１６のいずれかに記載の伝送モジュールである、
無線電力データ伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、差動線路モジュール、伝送モジュール、および無線電力データ伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線すなわち非接触で電力の伝送を行い、かつデータを伝送するシステムが知られている。例えば特許文献１は、回転軸を中心として互いに相対的に回転する２つの物体の間で、エネルギーとデータを無線で伝送する装置を開示している。当該装置は、エネルギー伝送を行う円状または円弧状の２つのコイルと、データ伝送を行う円状または円弧状の２つの導電体とを備える。２つのコイルは、回転軸の軸方向に離間して対向し、誘導結合によるエネルギー伝送を行う。２つの導電体は、２つのコイルとそれぞれが同軸の関係で配置される。導電体同士は軸方向に離間して対向し、電磁的な結合によるデータ伝送を行う。
【０００３】
他方、特許文献２は、分布結合線路を有する伝送線路共振器を開示している。分布結合線路の結合度を増大することによって共振周波数を低下させることができ、共振器のサイズを小型することが可能となることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１７４１４９号公報
【特許文献２】特開２０１３−８５０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、差動線路を構成する２本の平行線路電極からの信号伝送の品質を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る差動線路モジュールは、差動信号が印加される２本の平行線路電極である通信電極対であって、対向する他の通信電極対に信号を伝送する通信電極対と、前記通信電極対の周囲に配置された接地導体と、前記接地導体における前記通信電極対に対向した部分に配置された少なくとも１つの磁性体と、を備える。
【０００７】
本開示の包括的または具体的な態様は、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現され得る。あるいは、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の実施形態によれば、差動線路を構成する２本の平行線路電極からの信号伝送の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、複数の可動部を有するロボットアーム装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、従来のロボットアーム装置の配線構成を模式的に示す図である。
【図３】図３は、図２に示す従来の構成の具体例を示す図である。
【図４】図４は、各関節部における電力伝送を無線で行うロボットの例を示す図である。
【図５】図５は、無線電力伝送を適用したロボットアーム装置の一例を示す図である。
【図６】図６は、無線電力データ伝送装置における送電モジュールおよび受電モジュールの例を示す断面図である。
【図７】図７は、図６に示す送電モジュールを軸Ａに沿って見た上面図である。
【図８】図８は、磁性コアの構成例を示す斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａは、送信用の電極対と、受信用の電極対との間の第１の結合モードにおける電界分布を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、送信用の電極対と、受信用の電極対との間の第２の結合モードにおける電界分布を示す図である。
【図１０】図１０は、通信電極対を備える差動線路モジュールの一例を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本開示の例示的な実施形態における差動線路モジュールを示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、差動線路モジュールの他の例を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。
【図１３】図１３は、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。
【図１４】図１４は、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。
【図１５】図１５は、無線電力データ伝送装置の他の例を示す図である。
【図１６】図１６は、無線電力データ伝送装置の他の例を示す図である。
【図１７】図１７は、無線電力データ伝送装置を含むシステムの構成を示すブロック図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、送電コイルおよび受電コイルの等価回路の一例を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、送電コイルおよび受電コイルの等価回路の他の例を示す図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、フルブリッジ型のインバータ回路の構成例を示している。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、ハーフブリッジ型のインバータ回路の構成例を示している。
【図２０】図２０は、２つの無線給電ユニットを備える無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、１つの無線給電ユニットを備える無線電力伝送システムを示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、２つの無線給電ユニットを備える無線電力伝送システムを示す図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、３つ以上の無線給電ユニットを備える無線電力伝送システムを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（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。
【００１１】
図１は、複数の可動部（例えば関節部）を有するロボットアーム装置の一例を模式的に示す図である。各可動部は、電気モータ（以下、単に「モータ」と称する。）を含むアクチュエータによって回転または伸縮できるように構成されている。このような装置を制御するためには、複数のモータに個別に電力を供給して制御することが求められる。電源から複数のモータへの給電は、従来は多数のケーブルを介した接続によって実現されていた。
【００１２】
図２は、そのような従来のロボットアーム装置内での構成要素間の接続を模式的に示す図である。図２に示す構成では、有線のバス接続によって電源から複数のモータに電力が供給される。各モータは、制御装置（コントローラ）によって制御される。
【００１３】
図３は、図２に示す従来の構成の具体例を示す図である。この例におけるロボットは２つの関節部を有している。各関節部は、サーボモータＭによって駆動される。各サーボモータＭは、３相交流電力によって駆動される。コントローラは、制御するモータＭの数に応じた数のモータ駆動回路９００を備える。各モータ駆動回路９００は、コンバータと、３相インバータと、制御回路とを有する。コンバータは、電源からの交流（ＡＣ）電力を直流（ＤＣ）電力に変換する。３相インバータは、コンバータから出力された直流電力を３相交流電力に変換してモータＭに供給する。制御回路は、モータＭに必要な電力を供給するように３相インバータを制御する。モータ駆動回路９００は、モータＭから回転位置および回転速度に関する情報を取得し、その情報に応じて各相の電圧を調整する。このような構成により、各関節部の動作が制御される。
【００１４】
しかし、このような構成では、モータの数に応じた規模の多数のケーブルを敷設する必要がある。そのため、ケーブルの引っ掛かりによる事故が発生し易く、可動域が制限され、部品交換が容易にできない、という課題が生じる。また、ケーブルの屈曲が繰り返されることによってケーブルが劣化したり、断線が生じたりするという課題も生じる。安全性および制振性向上のためにアーム内へのケーブル内蔵化の要望もある。しかし、そのためには多数のケーブルを関節部に収納する必要があり、製造工程の自動化に制約が生じる。そこで、本発明者らは、無線電力伝送技術を適用して、ロボットアームの可動部におけるケーブルを削減することを検討した。
【００１５】
図４は、各関節部における電力伝送を無線で行うロボットの例を示す図である。この例では、図３の例と異なり、モータＭを駆動する３相インバータおよび制御回路が、外部のコントローラではなくロボットの内部に設けられている。各関節部において、送電コイルと受電コイルとの間の磁界結合を介した無線電力伝送が行われる。このロボットは、関節部ごとに、無線給電ユニットおよび小型モータを備えている。各小型モータ７００Ａ、７００Ｂは、モータＭと、３相インバータと、制御回路とを有している。各無線給電ユニット６００Ａ、６００Ｂは、送電回路と、送電コイルと、受電コイルと、受電回路とを有している。送電回路は、インバータ回路を含む。受電回路は、整流回路を含む。図４における左側の無線給電ユニット６００Ａにおける送電回路は、電源と送電コイルとの間に接続され、供給された直流電力を交流電力に変換して送電コイルに供給する。受電回路は、受電コイルが送電コイルから受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する。受電回路から出力された直流電力は、小型モータ７００Ａだけでなく、他の関節部に設けられた無線給電ユニット６００Ｂにおける送電回路にも供給される。これにより、他の関節部を駆動する小型モータ７００Ｂにも電力が供給される。
【００１６】
図５は、上記のような無線電力伝送を適用したロボットアーム装置の一例を示す図である。このロボットアーム装置は、関節部Ｊ１〜Ｊ６を有している。このうち、関節部Ｊ２、Ｊ４には、前述の無線電力伝送が適用されている。一方、関節部Ｊ１、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ６には、従来の有線による電力伝送が適用されている。ロボットアーム装置は、関節部Ｊ１〜Ｊ６をそれぞれ駆動する複数のモータＭ１〜Ｍ６と、モータＭ１〜Ｍ６のうち、モータＭ３〜Ｍ６をそれぞれ制御するモータ制御回路Ｃｔｒ３〜Ｃｔｒ６と、関節部Ｊ２、Ｊ４にそれぞれ設けられた２つの無線給電ユニット（インテリジェントロボットハーネスユニット：ＩＨＵと称することもある）ＩＨＵ２、ＩＨＵ４とを備えている。モータＭ１、Ｍ２をそれぞれ駆動するモータ制御回路Ｃｔｒ１、Ｃｔｒ２は、ロボットの外部の制御装置５００に設けられている。
【００１７】
制御装置５００は、モータＭ１、Ｍ２、および無線給電ユニットＩＨＵ２に有線で電力を供給する。無線給電ユニットＩＨＵ２は、一対のコイルを介して関節部Ｊ２において電力を無線で伝送する。伝送された電力は、モータＭ３、Ｍ４、制御回路Ｃｔｒ３、Ｃｔｒ４、および無線給電ユニットＩＨＵ４に供給される。無線給電ユニットＩＨＵ４も、一対のコイルを介して関節部Ｊ４において電力を無線で伝送する。伝送された電力は、モータＭ５、Ｍ６、および制御回路Ｃｔｒ５、Ｃｔｒ６に供給される。このような構成により、関節部Ｊ２、Ｊ４において、電力伝送用のケーブルを排除することができる。
【００１８】
このようなシステムにおいて、各無線給電ユニットでは、電力伝送だけでなくデータ伝送も行われ得る。例えば、各モータを制御するための信号、または各モータからフィードバックされる信号が、無線給電ユニット内の送電モジュールと受電モジュールとの間で伝送され得る。あるいは、ロボットアームの先端部にカメラが搭載されている場合、カメラによって撮影された画像のデータが伝送され得る。ロボットアームの先端部などにセンサが搭載されているような場合も、センサが得た情報を示すデータ群が伝送され得る。
【００１９】
そのような、電力伝送とデータ伝送とを同時に行う無線給電ユニットを、本明細書では「無線電力データ伝送装置」と称する。無線電力データ伝送装置においては、電力伝送とデータ伝送とを高い品質で両立することが求められる。
【００２０】
図６は、無線電力データ伝送装置における送電モジュール１００および受電モジュール２００の無線ブロック部分の構成例を示す断面図である。図７は送電モジュール１００の構造を例示しているが、受電モジュール２００も同様の構造を備える。図７は、図６に示す送電モジュール１００を軸Ａに沿って見た上面図である。送電モジュール１００および受電モジュール２００の少なくとも一方は、不図示のモータを含むアクチュエータによって軸Ａを中心として相対的に回転することができる。アクチュエータは、送電モジュール１００および受電モジュール２００のいずれかに設けられていてもよいし、これらの外部に設けられていてもよい。
【００２１】
送電モジュール１００は、送電コイル１１０と、差動伝送ラインとして機能する２本の平行線路電極１２０ａ、１２０ｂを含む通信電極対１２０と、磁性コア１３０と、通信回路を有する通信回路基板１４０と、導電シールド１６０と、これらを収容する導電性の筐体１９０とを備える。
【００２２】
図７に示すように、送電コイル１１０は、軸Ａを中心とする円形状を有する。２つの電極１２０ａ、１２０ｂは、軸Ａを中心とする円弧形状（またはスリットを有する円環形状）を有する。２つの電極１２０ａ、１２０ｂは、隙間を隔てて平行に隣接している。この例における通信電極対１２０および送電コイル１１０は、同一の平面上に位置する。通信電極対１２０は、送電コイル１１０の外側において、送電コイル１１０を囲むように位置する。送電コイル１１０は、磁性コア１３０に収容されている。
【００２３】
図６、７に示す構成では、軸Ａに対し、内径側に送電コイル２１０および受電コイル２１０が配置され、外径側に通信電極１２０、２２０が配置されている。このような構成に限定されず、送受コイル２１０および受電コイル２１０と通信電極１２０、２２０との配置を逆転させても構わない。すなわち、内径側に通信電極１２０、２２０が配置され、外径側に送電コイル１２０および受電コイル２２０が配置された構成でも、後述する優位な効果を得ることが可能である。
【００２４】
図８は、磁性コア１３０の構成例を示す斜視図である。図８に示す磁性コア１３０は、同心円状の内周壁および外周壁と、両者を接続する底面部とを有する。磁性コア１３０は、必ずしも底面部が内周壁および外周壁に接続された構造を有していなくてもよい。磁性コア１３０は磁性材料によって構成される。磁性コア１３０の内周壁と外周壁との間に、巻回された送電コイル１１０が配置される。図７に示すように、磁性コア１３０は、その中心が軸Ａに一致するように配置される。磁性コア１３０の外周壁は、送電コイル１１０と電極１２０ａとの間に位置する。図６に示すように、磁性コア１３０は、底面の反対側の開放された部分が受電モジュール２００と対向する方向に向くように配置される。
【００２５】
通信回路の入出力端子は、図７に示す電極１２０ａの一端１２１ａおよび電極１２０ｂの一端１２１ｂに接続される。通信回路は、送信時には、互いに逆位相で等振幅の２つの信号（以下、「差動信号」と称する）を電極１２０ａの一端１２１ａおよび電極１２０ｂの一端１２１ｂにそれぞれ供給する。受信時には、電極１２０ａの一端１２１ａおよび電極１２０ｂの一端１２１ｂから送られた２つの信号を受け取る。通信回路は、当該２つの信号の差分演算を行うことにより、伝送された信号を復調することができる。電極１２０ａ、１２０ｂの各々の他端（以下、「終端部」と称する）は、例えばグラウンド（ＧＮＤ）に接続され得る。あるいは、反射を抑制するために、これらの終端部が、通信電極対１２０、２４０が結合するときの偶モードインピーダンスＺｃｅと奇モードインピーダンスＺｃｏとの相乗平均のインピーダンスＺｃ＝（Ｚｃｅ×Ｚｃｏ）１／２をもつ回路で終端されていてもよい。
【００２６】
このように、２つの電極１２０ａ、１２０ｂは、差動伝送ラインとして機能する。差動伝送ラインによるデータ伝送は、電磁ノイズの影響を受けにくい。差動伝送ラインを使用することにより、より高速なデータ伝送が可能である。通信回路基板１４０は、２つの電極１２０ａ、１２０ｂに対向する位置に配置され得る。通信回路基板１４０上には通信回路が設けられる。
【００２７】
送電コイル１１０は、不図示の送電回路に接続される。送電回路は、交流電力を送電コイル１１０に供給する。送電回路は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え得る。送電回路は、インピーダンス整合のための整合回路を備えていてもよい。送電回路はまた、電磁ノイズ抑圧のため、フィルタ回路を備えていてもよい。送電回路を搭載した回路基板が、例えば受電モジュール２００が位置する側の反対側において送電モジュール１００に隣接する位置に配置され得る。
【００２８】
筐体１９０は、受電モジュール２００の筐体２９０に対向する部分を除き、導電性の材料で形成され得る。筐体１９０は、送電モジュール１００の外部への電磁界の漏洩を抑制する機能を果たし得る。
【００２９】
導電シールド１６０は、通信電極対１２０と送電コイル１１０との間に配置されている。導電シールド１６０は、送電コイル１１０から発生する磁束が通信電極対１２０に及ぼす影響を低減する。導電シールド１６０は、例えば銅またはアルミニウムなどの金属で形成され得る。
【００３０】
受電モジュール２００は、送電モジュール１００と同様の構成を備える。受電モジュール２００は、受電コイル２１０と、差動伝送ラインとして機能する２本の並行線路電極２２０ａ、２２０ｂを含む通信電極対２２０と、磁性コア２３０と、通信回路基板２４０と、導電シールド２６０と、これらを収容する筐体２９０とを備える。これらの構成要素の構成は、送電モジュール１００における対応する構成要素の構成と同様である。
【００３１】
受電コイル２１０、２つの電極２２０ａ、２２０ｂ、および磁性コア２３０は、図７および図８を参照して説明した構造と同様の構造を備える。通信回路基板２４０は、２つの電極２２０ａ、２２０ｂの各々の一端に接続され、互いに逆位相で同振幅の２つの信号（すなわち差動信号）を送信または受信する。通信回路基板２４０は、図６に示すように筐体２９０内に配置され得る。
【００３２】
受電コイル２１０は送電コイル１１０に対向するように配置される。受電側の電極２２０、２２０ｂは、送電側の電極１２０ａ、１２０ｂにそれぞれ対向するように配置される。送電コイル１１０および受電コイル２１０は、磁界結合による電力伝送を行う。電極１２０ａ、１２０ｂおよび電極２２０ａ、２２０ｂは、電極間の結合を介したデータ伝送を行う。データ伝送は、送電モジュール１００および受電モジュール２００のいずれの側から行うこともできる。なお、送電モジュール１００および受電モジュール２００の各々は、差動伝送ラインとして機能する電極対を２対以上備えていてもよい。そのような構成では、送電モジュール１００から受電モジュール２００への送信と、受電モジュール２００から送電モジュール１００への送信とを同時に行う全二重通信が可能である。
【００３３】
上記の構成により、送電モジュール１００と受電モジュール２００との間で、電力およびデータを同時に無線で伝送することができる。上記の構成では差動伝送ラインが用いられるため、シングルエンド伝送を行う形態と比較して、電力伝送部から生じる電磁ノイズの影響を抑えられる。このため、データ伝送機能部の通信品質を改善することができる。
【００３４】
しかし、本発明者らの検討によれば、伝送される電力が大きい場合、電力伝送時にコイル近傍に発生する強い磁界の影響を受けて、データ伝送部の通信品質が低下する課題が生じることがわかった。送電コイル１１０から生じる磁束の一部が通信電極対１２０、２２０に侵入すると、通信電極対１２０、２２０内で電磁誘導による起電力が発生する。この起電力は、伝送される信号とは無関係の電圧をノイズとして発生させる。このノイズにより、通信のＳＮ比が低下し、通信品質が損なわれ得る。上記の課題は、電力伝送とデータ伝送とを同時に行う上記のようなシステムに限定されず、外部からの電磁ノイズの影響を受ける他の環境で使用される差動線路モジュールにおいても一般に生じ得る。
【００３５】
外部からの電磁ノイズの影響が大きい環境下でも高い通信品質を維持するためには、受信側の通信電極対における信号電圧のレベルをノイズレベルよりも十分に高くすることが必要である。例えば送信側の通信電極対に供給する電力を増加させたり、各通信電極の面積を増加させて送受電極間の結合を高めれば、受信信号の電圧を高くすることができる。しかし、そのような構成では、消費電力が大きくなりすぎたり、各電極が装置内のスペースを占有することによって他の構成要素（例えば前述の電力伝送用のコイル）の配置に制約が生じたりする課題が生じる。
【００３６】
本発明者らは、消費電力の増大および／または各電極の面積の増大を適切なレベルで抑えながら、受信信号の電圧を高くするための方法を検討した。
【００３７】
本発明者らはまず、２対の差動線路電極が結合する場合の各モードの電磁界分布および特性インピーダンスについて解析し、受信電圧を増加させるために必要な要件を検討した。一般に、送信用の電極対と、受信用の電極対が結合した場合、その断面構造から典型的な４つの結合モードが存在する。図９Ａおよび９Ｂは、それらの４つの結合モードの中で、送信電極対および受信電極対における信号伝送が差動伝送モードである２つの結合モードについて、電極対間に生じる電界の分布の例を示している。
【００３８】
この例では、送信側のモジュールは、樹脂基板１８０ａ、１８０ｂと、２つの平行線路電極１２０ａ、１２０ｂと、導電シールド１６０とを備える。樹脂基板１８０ａは樹脂基板１８０ｂよりも大きい幅を有し、両者は互いに接している。電極１２０ａ、１２０ｂは、樹脂基板１８０ａの内部において樹脂基板１８０ｂとの境界付近に配置されている。導電シールド１６０は、樹脂基板１８０ａに垂直に接し、電極１２０ａ、１２０ｂおよび樹脂基板１８０ｂの周囲を囲んでいる。
【００３９】
受信側のモジュールも同様の構造を有する。受信側のモジュールは、樹脂基板２８０ａ、２８０ｂと、２つの平行線路電極２２０ａ、２２０ｂと、導電シールド２６０とを備える。樹脂基板２８０ａは樹脂基板２８０ｂよりも大きい幅を有し、両者は互いに接している。電極２２０ａ、２２０ｂは、樹脂基板２８０ａの内部において樹脂基板２８０ｂとの境界付近に配置されている。導電シールド２６０は、樹脂基板２８０ａに垂直に接し、電極２２０ａ、２２０ｂおよび樹脂基板２８０ｂの周囲を囲んでいる。
【００４０】
図９Ａは、第１の結合モードにおける電界分布の例を示している。第１の結合モードでは、電極１２０ａと１２０ｂとの間、および電極２２０ａと２２０ｂとの間には差動の関係があり、電極１２０ａと２２０ａとの間、および電極１２０ｂと２２０ｂとの間で同相の関係が成立している。すなわち、第１の結合モードは、差動信号間の同相結合モード（偶モード）に相当する。
【００４１】
図９Ｂは、第２の結合モードにおける電界分布の例を示している。第２の結合モードでは、電極１２０ａと１２０ｂとの間、および電極２２０ａと２２０ｂとの間に差動の関係が成立しており、電極１２０ａと２２０ａとの間、および電極１２０ｂと２２０ｂとの間にも差動の関係が成立している。すなわち、第２の結合モードは、差動信号間の差動結合モード（奇モード）に相当する。
【００４２】
これらの２つの結合モードのうち、本願のデータ伝送部においては、送信側の電極１２０ａ、１２０ｂに差動信号が印加される。このため、図９Ａに示す第１の結合モードと、図９Ｂに示す第２の結合モードが、通信電極対の結合特性に関係する。
【００４３】
通信特性を向上させるためには、送信用の電極１２０ａ、１２０ｂから受信用の電極２２０ａ、２２０ｂへの信号到達強度を大きくすることが重要である。信号到達強度を大きくするためには、送信用の電極１２０ａ、１２０ｂと受信用の電極２２０ａ、２２０ｂとの間の結合度を高めればよい。結合度は、電極１２０ａ、１２０ｂと電極２２０ａ、２２０ｂとの間の結合モードの組み合わせ、および特性インピーダンスによって決定される。特許文献２に開示されているように、平行に配置された２本の分布結合線路の結合度ｋは、以下のように表される。
ｋ＝（Ｚｃｅ−Ｚｃｏ）／（Ｚｃｅ＋Ｚｃｏ），０≦ｋ≦１
ここで、Ｚｃｅは偶モードインピーダンスを表し、Ｚｃｏは奇モードインピーダンスを表す。この結合度ｋを高くすれば、信号到達強度を大きくすることができる。
【００４４】
また、通信に必要な電力を増大させることなく通信特性を向上させるためには、受信側の電極２２０ａ、２２０ｂに誘起される信号電圧を大きくすることが要求される。そのためには、図９Ａおよび図９Ｂに示す各結合モードでの特性インピーダンスの平均値（相乗平均を意味する）を増加させればよい。ここで特性インピーダンスの平均値は、Ｚｃ＝（Ｚｃｅ×Ｚｃｏ）１／２で表される。同じ送信電力を送信電極対に入力した場合で比較すると、特性インピーダンスの平均値を増加させるほど送信電極に生じる送信電圧を増加させることができる。結果として、受信電圧を増大させることができる。
【００４５】
以上のことから、通信特性を向上させるためには、特性インピーダンスの平均値を増加させることも重要である。ここで分布定数回路における特性インピーダンスは、単位長さあたりのインダクタンスΔＬと、単位長さあたりの接地容量ΔＣとの比の平方根で表される。したがって、接地容量ΔＣを低減すれば、通信特性が改善すると考えられる。
【００４６】
しかし、前述の無線電力伝送データ装置のように、通信電極対１２０、２２０の周囲に多くの接地導体が存在する場合には、接地容量を低減する余地が少ない。このため、通信特性を改善することは容易ではない。
【００４７】
図１０は、通信電極対１２０を備える差動線路モジュールの一例を示す図である。この例では、電極１２０ａ、１２０ｂは、樹脂基板１８０の内部に配置されている。樹脂基板１８０の表面もしくは上面には、接地面１４５が配置され得る。さらに、電極対１２０および樹脂基板１８０は、導電性の筐体１９０および導電シールド１６０に囲まれている。
【００４８】
このような構成においては、電極１２０ａ、１２０ｂと、接地面１４５、筐体１９０、および導電シールド１６０に含まれる各接地導体との間で、不要な接地容量が生じる。例えば、図１０において矢印で示すように、各電極１２０ａ、１２０ｂと導電シールド１６０との間、各電極１２０ａ、１２０ｂと回路基板１４０との間、および各電極１２０ａ、１２０ｂと仮想的なＧＮＤ面との間に不要な容量が生じる。なお、仮想的なＧＮＤ面とは、差動線路として機能する電極１２０ａ、１２０ｂの中間に生じる電位がゼロに固定されたものとみなせる領域を指す。また、樹脂基板１８０の誘電率が比較的高いことから、これらの不要な容量をさらに増加させる問題も生じる。これらの不要な接地容量を低減するには、例えば、以下のいずれかの対応が有効である。
・導電シールド１６０の底部と電極対１２０とを同一の平面に配置することを避ける。
・電極１２０ａ、１２０ｂを、可能な限り基板１８０の端部に配置する。
・基板１８０の裏面側にある接地導体を除去する。
【００４９】
しかし、これらの対策だけでは、効果に限界がある。
【００５０】
本発明者らは、以上の考察に基づき、通信品質を高めるために、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。
【００５１】
本開示の一態様に係る差動線路モジュールは、差動信号が印加される２本の平行線路電極である通信電極対であって、対向する他の通信電極対に信号を伝送する通信電極対と、前記通信電極対の周囲に配置された接地導体と、前記接地導体における前記通信電極対に対向する部分に配置された少なくとも１つの磁性体と、を備える。
【００５２】
前記接地導体における前記通信電極対に対向した部分に配置された少なくとも１つの磁性体を設けることにより、通信電極対と接地導体との間の不要な接地容量が低減する。その結果、伝送線路の特性インピーダンスを増加させ、信号電圧を増大させることができる。
【００５３】
ここで、磁性体は、通信電極対の少なくとも一方と、接地導体との間の容量を僅かでも低減させる位置であれば、いずれの位置に配置されていてもよい。磁性体または接地導体は、通信電極対の側方または斜めに位置していてもよい。その場合も、磁性体または接地導体が通信電極対に「対向」していると解釈する。磁性体が、２つの電極の両方に対向する位置に配置され、かつ、当該電極が延びる方向に沿って連続して配置されていれば、より高い効果を得ることができる。
【００５４】
ある実施形態において、前記接地導体は、前記他の通信電極対が配置される側とは反対の側において前記通信電極対に対向する第１の面を有し、前記磁性体は、前記第１の面に配置された部分を含む。この場合、磁性体の少なくとも一部は、通信電極対の主表面に対向する。通信電極の断面形状が例えば長方形状である場合、主表面は長辺を構成する面に相当する。前記第１の面は、前記通信電極対に平行であってもよいし平行でなくてもよい。
【００５５】
ある実施形態において、前記磁性体は、前記通信電極対の一方に対向する第１の部分と、前記通信電極対の他方に対向する第２の部分と、を含み、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間には空隙が存在する。このような構成によれば、後述するように、通信電極対と他の通信電極対との結合度をより高くすることができる。
【００５６】
ある実施形態において、前記第１の部分および前記第２の部分は、前記通信電極対に沿って延びた構造を有する。これにより、通信電極対と接地導体との容量をさらに低減することができる。
【００５７】
ある実施形態において、前記接地導体は、前記通信電極対の各々の側部に対向する第２の面を有し、前記磁性体は、前記第２の面に配置された部分を含む。このような構成においては、通信電極対の側方に位置する接地導体と各電極との間の容量を低減することができる。
【００５８】
前記第２の面は、例えば前記通信電極対に垂直であり、前記通信電極対の周囲を囲むように配置され得る。
【００５９】
ある実施形態において、前記通信電極対の一端に前記差動信号が入力され、前記通信電極対の他端は、前記通信電極対と前記他の通信電極対とが結合するときの偶モードインピーダンスおよび奇モードインピーダンスの相乗平均のインピーダンスをもつ回路で終端されている。これにより、通信電極対に差動信号を供給したときに生じる信号波の多重反射を抑え、通信品質の低下を回避することができる。
【００６０】
本開示の他の態様に係る伝送モジュールは、相対的に運動する送電モジュールおよび受電モジュールの間で電力およびデータを無線で伝送する無線電力データ伝送装置における送電モジュールまたは受電モジュールとして用いられる。前記伝送モジュールは、上記のいずれかの差動線路モジュールと、磁界結合による送電または受電を行うコイルと、を備える。前記接地導体は、前記コイルと前記通信電極対との間に配置された部分を含む。
【００６１】
上記態様によれば、電力とデータとを同時に無線で伝送することができる。差動線路モジュールが磁性体を備えることにより、不要な接地容量を低減し、データ伝送部の受信電圧を高めることができる。結果として、電力伝送時にコイルから生じる磁界に起因するノイズが存在する環境下でも良好な通信を行うことができる。
【００６２】
前記通信電極および前記コイルは、例えば同一の平面上に配置され得る。前記通信電極および前記コイルは、異なる平面上に配置されていてもよい。
【００６３】
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、相対的に回転可能に構成され得る。この場合、前記コイルおよび前記通信電極対の各々は、同一の軸を中心とする円形状または円弧形状を有し得る。このような構成によれば、送電モジュールと受電モジュールとを相対的に回転させた場合でも、送電モジュールにおけるコイルおよび通信電極対と、受電モジュールにおけるコイルおよび通信電極対とが対向する状態を維持することができる。
【００６４】
ある態様では、前記通信電極対は、前記コイルの外側に位置する。他の態様では、前記通信電極対は、前記コイルの内側に位置する。前記通信電極対と前記コイルとの間には、上記の磁性コアのような磁性体が配置され得る。
【００６５】
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、第１の方向に沿って相対的に移動可能に構成されていてもよい。例えば、前記伝送モジュールの少なくとも一方が、リニアアクチュエータを備えていてもよい。この場合、前記コイルおよび前記通信電極対の各々は、前記第１の方向に延びた形状を有していてもよい。例えば、前記コイルおよび前記通信電極対の各々は、矩形状または楕円形状を有していてもよい。前記通信電極対は、前記コイルの外側または内側に配置されていなくてもよく、前記コイルに隣接して配置されていてもよい。
【００６６】
前記伝送モジュールは、前記コイルの周囲に位置する磁性コアをさらに備えていてもよい。前記磁性コアは、前記コイルと前記第２の導電シールドとの間に位置し、前記磁性コアと前記第２の導電シールドとの間には空隙が存在していてもよい。そのような構成によれば、送電コイルと受電コイルのＱ値の低下を抑制することができる。
【００６７】
ある態様において、前記第２の導電シールドの電気抵抗率は、前記第１の導電シールドの電気抵抗率よりも低い。その場合、送電コイルと受電コイルのＱ値の低下を抑制することができる。
【００６８】
前記伝送モジュールは、前記送電モジュールと前記受電モジュールとを相対的に運動させるアクチュエータをさらに備えていてもよい。前記アクチュエータは、少なくとも１つのモータを備え得る。アクチュエータは、伝送モジュールの外部に設けられていてもよい。
【００６９】
前記伝送モジュールは、前記コイルに交流電力を供給する送電回路をさらに備えていてもよい。この場合、前記伝送モジュールは、送電モジュールとして機能する。前記送電回路は、例えばインバータ回路を備え得る。前記インバータ回路は、電源と前記コイルに接続され得る。前記インバータ回路は、前記電源から出力された直流電力を伝送用の交流電力に変換して前記コイルに供給する。
【００７０】
前記伝送モジュールは、前記コイルが受け取った交流電力を他の形態の電力に変換して出力する受電回路をさらに備えていてもよい。この場合、前記受電モジュールは、受電モジュールとして機能する。前記受電回路は、例えば整流回路などの電力変換回路を備え得る。前記電力変換回路は、前記コイルと負荷との間に接続される。前記電力変換回路は、前記コイルが受け取った交流電力を、前記負荷が要求する直流電力または交流電力に変換して前記負荷に供給する。
【００７１】
前記伝送モジュールは、前記通信電極対に接続された通信回路をさらに備えていてもよい。前記通信回路の２つの端子が前記２つの電極に接続される。前記通信回路は、送信回路および受信回路の少なくとも一方として機能する。送信時には、前記通信回路は、前記２つの電極に、逆位相の信号を供給する。
【００７２】
本開示の他の態様に係る無線電力データ伝送装置は、相対的に運動する送電モジュールおよび受電モジュールの間で電力およびデータを無線で伝送する。前記無線電力データ伝送装置は、前記送電モジュールと、前記受電モジュールと、を備える。前記送電モジュールおよび前記受電モジュールの少なくとも一方は、前述のいずれかの態様における伝送モジュールであり得る。
【００７３】
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールの両方が、前述のいずれかの態様における伝送モジュールであってもよい。その場合、送電モジュールと受電モジュールの両方において、通信品質を高めることができる。
【００７４】
前記無線電力データ伝送装置において、前記送電モジュールおよび前記受電モジュールとが同一の構造を有している必要はない。例えば、送電モジュールのみが磁性体を有する差動線路モジュールを備えていてもよい。そのような非対称な構成であっても、従来の構成と比較してデータ伝送の品質を改善することができる。
【００７５】
前記無線電力データ伝送装置は、例えば図１に示すようなロボットアーム装置における無線給電ユニットとして用いられ得る。ロボットアーム装置に限らず、回転機構または直動機構を備えるあらゆる装置に前記無線電力データ伝送装置を適用することができる。
【００７６】
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。
【００７７】
（実施形態）
図１１Ａは、本開示の例示的な実施形態における差動線路モジュールを示す断面図である。この例における差動線路モジュールは、図１０に示す差動線路モジュールから基板１４０を除去し、さらに磁性体１７０を配置した構造を備える。磁性体１７０は、２つの電極１２０ａ、１２０ｂに対向する位置に配置される。磁性体１７０は、電極１２０ａ、１２０ｂに沿って延びる構造を有する。磁性体１７０は、２つの電極１２０ａ、１２０ｂを覆うように配置されている。
【００７８】
この例では、接地導体である筐体１９０は、受信側の通信電極対が配置される側とは反対の側において通信電極対１２０ａ、１２０ｂに対向する面を有する。磁性体１７０は、当該面に配置されている。この面は各電極の主表面（以下、「電極面」とも称する）に平行であるが、必ずしも平行でなくてもよい。磁性体１７０は、通信電極対１２０ａ、１２０ｂの主表面に対向する。
【００７９】
このような構成により、電極１２０ａ、１２０ｂと接地導体との不要な容量を低減することができる。
【００８０】
図１１Ｂは、差動線路モジュールの他の例を示す断面図である。この例における差動線路モジュールは、図１１Ａに示す磁性体１７０が分割された構造を備える。差動線路モジュールは、２つの磁性体１７０ａ、１７０ｂを備える。２つの磁性体１７０ａ、１７０ｂは、２つの電極１２０ａ、１２０ｂにそれぞれ対向する。２つの磁性体１７０ａ、１７０ｂは、それぞれ、２つの電極１２０ａ、１２０ｂに沿って延びる構造（例えば円環形状）を有する。磁性体１７０ａ、１７０ｂの間には空隙１７５（スリットとも称する）が存在する。空隙１７５は、２つの電極１２０ａ、１２０ｂの電極面に垂直な方向から見て、電極１２０ａ、１２０ｂの中間の位置にある。このような空隙１７５を設けることにより、後述するように、電極１２０ａ、１２０ｂと接地導体との不要な容量をさらに低減することができる。
【００８１】
図１２Ａは、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。この例における差動線路モジュールは、２つの電極１２０ａ、１２０ｂの側部にそれぞれ対向する２つの磁性体１７０ｃ、１７０ｄを備える。接地導体である導電シールド１６０は、通信電極対１２０の各々の側部に対向する面を有する。磁性体１７０ｃ、１７０ｄは、当該面に配置されている。当該面は、電極面に垂直であるが、必ずしも垂直でなくてもよい。当該面は、通信電極対１２０の周囲を囲むように配置されている。２つの磁性体１７０ｃ、１７０ｄは、それぞれ、２つの電極１２０ａ、１２０ｂに沿って延びる構造（例えば円環形状）を有する。このような構成によっても、不要な容量を低減することができる。
【００８２】
図１２Ｂは、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。この例における差動線路モジュールは、図１２Ａに示す差動線路モジュールに、磁性体１７０ａ、１７０ｂを追加した構成を有する。磁性体１７０ａ、１７０ｂの構成は図１１Ｂに示す構成と同じである。この例では、電極１２０ａ、１２０ｂの主表面にそれぞれ対向する２つの磁性体１７０ａ、１７０ｂと、電極１２０ａ、１２０ｂの側部にそれぞれ対向する２つの磁性体１７０ｃ、１７０ｄとが配置されている。電極１２０ａ、１２０ｂの間には空隙１７５が存在する。空隙１７５は、２つの電極１２０ａ、１２０ｂの電極面に垂直な方向から見て、電極１２０ａ、１２０ｂの中間の位置にある。電極１２０ａ、１２０ｂに対向し近接する接地導体に、複数の磁性体１７０が選択的に配置されている。このような構成により、電極１２０ａ、１２０ｂと接地導体との不要な容量を大きく低減することができる。
【００８３】
本発明者らは、磁性体を設けない構成（比較例）と、図１１Ａから図１２Ｂに示す各構成（実施例１から４）において電磁界解析を行い、送信側の通信電極対１２０と受信側の通信電極対２２０（図６参照）との間の結合度および送信電圧を比較した。表１は、その解析結果を示している。なお、送信電極に入力する電力としてはすべて１Ｗに条件を統一した。
【００８４】
【表１】
2019176692.tif 000003
【００８５】
表１に示すように、実施例１から４のいずれにおいても、比較例よりも送信電圧を増大させることができ、結果として受信電圧も比例して増大した。また、表１に示すように、実施例１から４のいずれにおいても、比較例よりも結合度が改善した。特に、基板１８０の裏面側の接地導体にスリットを有する磁性体を配置した実施例２および４においては、結合度が２０％以上増加した。実施例４のように、スリットを有する磁性体１７０ａ、１７０ｂと、側方の磁性体１７０ｃ、１７０ｄを配置した構成において、最も高い結合度を示した。
【００８６】
以上の結果から、電極対に対向する接地導体に磁性体を配置することにより、送信電圧を増大させ、且つ、結合度を高めることができ、受信される信号の電圧を効果的に増加できることが確認された。特に、図１１Ｂおよび図１２Ｂに示すように、空隙を有する磁性体を設けた構成においてより高い効果が得られることが確認された。
【００８７】
差動線路モジュールは、図１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂに示す構成に限らず、多様な変形例が考えられる。例えば、図１３に示すように、電極１２０ａ、１２０ｂにそれぞれ対向する磁性体１７０ａ、１７０ｂの間に、磁性体１７０ａ、１７０ｂよりも薄い磁性体１７０ｃを設けてもよい。この薄い磁性体１７０ｃは、図１１Ｂおよび図１２Ｂの例における空隙１７５と同様の効果をもたらす。
【００８８】
図１４は、差動線路モジュールのさらに他の例を示す断面図である。この例では、磁性体１７０が、電極１２０ａ、１２０ｂの斜め方向に位置している。このような配置であっても、電極対１２０と接地導体との間の容量を低減することができるため、効果を奏する。
【００８９】
上記の各例において、磁性体は、電極対１２０の中心面（仮想的なＧＮＤ面）に対して対称に配置されているが、必ずしも対称に配置されていなくてもよい。
【００９０】
導電シールド１６０または筐体１９０などの接地導体に配置される磁性体は、例えば、接地導体を構成する金属の表面に磁性体膜を形成する方法によって形成され得る。磁性体膜の厚さは、例えば数十μｍから数ｍｍ程度であり得る。磁性体として、例えばフェライトもしくは軟磁性金属材料、またはそれらの材料を部分的に含み誘電体で保持した構造のシート材などが用いられ得る。
【００９１】
本実施形態における差動線路モジュールは、前述の無線電力データ伝送装置に使用され得る。無線電力伝送データ伝送装置は、例えば図１に示すような、工場または作業現場などで用いられる産業用ロボットの構成要素として用いられ得る。無線電力データ伝送装置は、他の用途（例えば、電気自動車などの電動車両への給電など）に用いられることもある。
【００９２】
以下、差動線路モジュールが図６に示す無線電力データ伝送装置に使用される場合の構成の例を説明する。
【００９３】
差動線路モジュールが図６に示す無線電力データ伝送装置に使用される場合、各磁性体は、軸Ａを中心軸とする円状または円弧状の形状を有し得る。各電極に垂直な方向から見て、磁性体、各電極、および送電または受電コイルは、同心円状に配置され得る。
【００９４】
そのような実施形態では、送電コイルまたは受電コイルと、通信電極とが、円環状の構造を有し、かつ両者が同一の軸を回転軸として相互に回転可能である。回転軸を中心とする円の径方向において、送電コイルおよび受電コイルの各々の外側に通信電極が配置される。このような構造に限定されず、例えば送電コイルおよび受電コイルの内側に、通信電極が配置されていてもよい。コイルと通信電極との間に遮蔽部材が配置されていれば、相互の干渉を抑制できる。
【００９５】
さらに、各コイルおよび各通信電極は、回転を前提としない形状を有していてもよい。例えば、図１５に示すように、各コイルおよび各通信電極は、第１の方向（図１５における縦方向）に延びる矩形状または長円状（楕円状）の構造を有していてもよい。その場合、送電コイル１１０および通信電極対１２０と、受電コイル２１０および通信電極対２２０は、アクチュエータによって第１の方向に相対的に移動可能に構成され得る。図１５に示す構成では、受電モジュール２００における受電コイル２１０および通信電極対２２０は、送電モジュール１００における送電コイル１１０および通信電極対１２０よりも小さい。受電モジュール２００が送電モジュール１００に対して移動しても、それらの対向状態が維持される。このため、移動しながら電力伝送およびデータ伝送を、行うことができる。
【００９６】
図１６は、無線電力データ伝送装置の他の例を示す図である。この例では、送電モジュール１００は、制御装置１５０を備え、受電モジュール２００は、制御装置２５０を備える。制御装置１５０は、送電コイル１１０に電力伝送用の交流電力を供給しし、通信電極対１２０に信号伝送用の交流電力を供給する。受電モジュール２００における制御装置２５０は、受電コイル２１０が送電コイル２１０から受け取った交流電力を他の形態の電力に変換してモータなどの負荷装置に供給し、かつ通信電極対２２０から送られてきた信号を復調する。通信電極対１２０は、送電コイル１１０に隣接して配置され、通信電極対２２０は、受電コイル２１０に隣接して配置されている。受電モジュール２００は、リニアアクチュエータなどの直動機構によって送電モジュール１００に対して並進移動する。
【００９７】
次に、本実施形態における無線電力データ伝送装置を含むシステムの構成をより詳細に説明する。
【００９８】
図１７は、無線電力データ伝送装置を含むシステムの構成を示すブロック図である。本システムは、電源２０と、送電モジュール１００と、受電モジュール２００と、負荷３００とを備える。この例における負荷３００は、モータ３１と、モータインバータ３３と、モータ制御回路３５とを備える。負荷３００は、モータ３１を含む機器に限らず、例えばバッテリ、照明機器、イメージセンサといった電力によって動作する任意の機器であってよい。負荷３００は、二次電池または蓄電用キャパシタなどの、電力を蓄積する蓄電装置であってもよい。負荷３００は、送電モジュール１００と受電モジュール２００とを相対的に運動（例えば回転または直動）させるモータ３１を含むアクチュエータを含み得る。
【００９９】
送電モジュール１００は、送電コイル１１０と、通信電極対１２０（電極１２０ａおよび１２０ｂ）と、送電回路１３と、送電制御回路１５とを備える。送電回路１３は、電源２０と送電コイル１１０との間に接続され、電源２０から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。送電コイル１１０は、送電回路１３から出力された交流電力を空間に送出する。送電制御回路１５は、例えばマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ、以下、「マイコン」とも称する。）と、ゲートドライバ回路とを含む集積回路であり得る。送電制御回路１５は、送電回路１３に含まれる複数のスイッチング素子の導通／非導通の状態を切り替えることにより、送電回路１３から出力される交流電力の周波数および電圧を制御する。送電制御回路１５は、電極１２０ａおよび１２０ｂに接続されており、電極１２０ａおよび１２０ｂを介した信号の送受信も行う。
【０１００】
受電モジュール２００は、受電コイル２１０と、通信電極対２２０（電極２２０ａおよび２２０ｂ）と、受電回路２３と、受電制御回路１２５を備えている。受電コイル２１０は、送電コイル１１０に電磁的に結合し、送電コイル１１０から伝送された電力の少なくとも一部を受け取る。受電回路２３は、受電コイル２１０から出力された交流電力を、たとえば直流電力に変換して出力する整流回路を含む。受電制御回路２５は、電極２２０ａおよび２２０ｂに接続されており、電極２２０ａおよび２２０ｂを介した信号の送受信も行う。
【０１０１】
負荷３００は、モータ３１と、モータインバータ３３と、モータ制御回路３５とを備える。この例におけるモータ３１は、三相交流によって駆動されるサーボモータであるが、他の種類のモータであってもよい。モータインバータ３３は、モータ３１を駆動する回路であり、三相インバータ回路を含む。モータ制御回路３５は、モータインバータ３３を制御するＭＣＵなどの回路である。モータ制御回路３５は、モータインバータ３３に含まれる複数のスイッチング素子の導通／非導通の状態を切り替えることにより、モータインバータ３３に所望の三相交流電力を出力させる。
【０１０２】
図１８Ａは、送電コイル１１０、および受電コイル２１０の等価回路の一例を示す図である。図示されるように、各コイルは、インダクタンス成分とキャパシタンス成分とを有する共振回路として機能する。互いに対向する２つのコイルの共振周波数を近い値に設定することにより、高い効率で電力を伝送することができる。送電コイル１１０には、送電回路１３から交流電力が供給される。この交流電力によって送電コイル１１０から発生する磁界により、受電コイル２１０に電力が伝送される。この例では、送電コイル１１０および受電コイル２１０の両方が、直列共振回路として機能する。
【０１０３】
図１８Ｂは、送電コイル１１０および受電コイル２１０の等価回路の他の例を示す図である。この例では、送電コイル１１０は、直列共振回路として機能し、受電コイル２１０は、並列共振回路として機能する。他にも、送電コイル１１０が並列共振回路を構成する形態も可能である。
【０１０４】
各コイルは、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、銅もしくはアルミニウムなどの材料によって形成されるリッツ線またはツイスト線などを用いた巻き線コイルであり得る。共振回路における各キャパシタンス成分は、各コイルの寄生容量によって実現されていてもよいし、例えばチップ形状またはリード形状を有するキャパシタを別途設けてもよい。
【０１０５】
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ｆ１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ｆ１に厳密に一致していなくてもよい。各々の共振周波数ｆ０は、例えば、伝送周波数ｆ１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ｆ１は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、ある例では２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、他の例では２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、さらに他の例では８０ｋＨｚ〜１４ＭＨｚに設定され得る。
【０１０６】
図１９Ａおよび図１９Ｂは、送電回路１３の構成例を示す図である。図１９Ａは、フルブリッジ型のインバータ回路の構成例を示している。この例では、送電制御回路１５は、送電回路１３に含まれる４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン／オフを制御することにより、入力された直流電力を所望の周波数ｆ１および電圧Ｖ（実効値）をもつ交流電力に変換する。この制御を実現するために、送電制御回路１５は、各スイッチング素子に制御信号を供給するゲートドライバ回路を含み得る。図１９Ｂは、ハーフブリッジ型のインバータ回路の構成例を示している。この例では、送電制御回路１５は、送電回路１３に含まれる２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオン／オフを制御することにより、入力された直流電力を所望の周波数ｆ１および電圧Ｖ（実効値）をもつ交流電力に変換する。送電回路１３は、図１９Ａおよび図１９Ｂに示す構成とは異なる構造を有していてもよい。
【０１０７】
送電制御回路１５、受電制御回路２５、およびモータ制御回路３５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備える回路によって実現され得る。メモリに格納されたコンピュータプログラムを実行することにより、各種の制御を行うことができる。送電制御回路１５、受電制御回路２５、およびモータ制御回路３５は、本実施形態の動作を実行するように構成された専用のハードウェアによって構成されていてもよい。送電制御回路１５および受電制御回路２５は、通信回路としても機能する。送電制御回路１５および受電制御回路２５は、通信電極対１２０、２２０を介して、相互に信号またはデータの伝送を行うことができる。
【０１０８】
モータ３１は、例えば永久磁石同期モータまたは誘導モータなどの、３相交流によって駆動されるモータであり得るが、これに限定されない。モータ３１は、直流モータ等の他の種類のモータでもよい。その場合には、３相インバータ回路であるモータインバータ３３に代えて、モータ３１の構造に応じたモータ駆動回路が使用される。
【０１０９】
電源２０は、直流電源を出力する任意の電源であり得る。電源２０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（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）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。
【０１１０】
（他の実施形態）
本開示の他の実施形態における無線電力伝送システムは、複数の無線給電ユニットおよび複数の負荷を備える。複数の無線給電ユニットは、直列に接続され、それぞれに接続された１つ以上の負荷に電力を供給する。
【０１１１】
図２０は、２つの無線給電ユニットを備える無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、２つの無線給電ユニット１０Ａ、１０Ｂと、２つの負荷３００Ａ、３００Ｂとを備えている。無線給電ユニットおよび負荷のそれぞれの個数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。
【０１１２】
送電モジュール１００Ａ、１００Ｂの各々は、前述の実施形態における送電モジュール１００と同様の構成を備える。受電モジュール２００Ａ、２００Ｂの各々は、前述の実施形態における受電モジュール２００と同様の構成を備える。負荷３００Ａ、３００Ｂは、受電モジュール２００Ａ、２００Ｂからそれぞれ給電される。
【０１１３】
図２１Ａから図２１Ｃは、本開示における無線電力伝送システムの構成の類型を模式的に示す図である。図２１Ａは、１つの無線給電ユニット１０を備える無線電力伝送システムを示している。図２１Ｂは、電源２０と末端の負荷３００Ｂとの間に、２つの無線給電ユニット１０Ａ、１０Ｂが設けられた無線電力伝送システムを示している。図２１Ｃは、電源２０と末端の負荷装置３００Ｘとの間に、３つ以上の無線給電ユニット１０Ａ〜１０Ｘが設けられた無線電力伝送システムを示している。本開示の技術は、図２１Ａから２１Ｃのいずれの形態にも適用できる。図２１Ｃに示すような構成によれば、例えば図１を参照しながら説明したように、多くの可動部を有するロボットのような電動装置に適用することができる。
【０１１４】
図２１Ｃの構成においては、全ての無線給電ユニット１０Ａ〜１０Ｘに前述の実施形態の構成を適用してもよいし、一部の無線給電ユニットのみに前述の構成を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本開示の技術は、例えば工場もしくは作業現場などで用いられるロボット、監視カメラ、電動車両、またはマルチコプターなどの電動装置に利用できる。
【符号の説明】
【０１１６】
１０    無線給電ユニット
１３  送電回路
１５  送電制御回路
２３  受電回路
３１  モータ
３３  モータインバータ
３５  モータ制御回路
５０    電源
１００  送電モジュール
１１０  送電コイル
１２０ａ、１２０ｂ  第１の通信電極
１３０  磁性コア
１４０  通信回路基板
１４５  接地面、接地導体層
１６０  導電シールド
１７０  磁性体
１８０  樹脂基板
１９０  筐体
２００  受電モジュール
２１０  受電コイル
２２０ａ、２２０ｂ  第２の通信電極
２３０  磁性コア
２４０  通信回路基板
２６０  第３の導電シールド
２７０  第４の導電シールド
２８０  第５の導電シールド
２９０  筐体
３００  負荷
５００  制御装置
６００  無線給電ユニット
７００  小型モータ
９００  モータ駆動回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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