(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に実装され磁気的結合を用いた無線給電に用いられる送電または受電コイルであって、
前記回転体の円周方向に沿う三日月形状の２つのコイルからなり、
前記２つのコイルは、前記回転体の円周方向に沿った形状で対称に配置され、
前記２つのコイルに電流が流れることにより発生する磁束が前記回転体の軸方向に平行で同一方向であり、
前記２つのコイルの間に共振容量を介して、前記２つのコイルが直列に接続されており、
前記２つのコイルは閉ループを形成し、前記２つのコイルの閉ループ中に前記回転体を含まないものであり、
前記２つのコイルは、２つのコイルが接続された側とは反対側に接続されない部分を有し、前記接続されない部分の２つのコイルを離すことができるように構成し、
前記接続されない部分の２つのコイルを離し回転体の半径方向から前記回転体に通すことで、前記回転体に２つのコイルを実装できるようにしたことを特徴とする送電または受電コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の送電または受電コイルにおいて、
前記２つのコイルは、コイル基板の表面にコイルパターンを形成し、裏面に送電または受電回路パターンを形成したことを特徴とする送電または受電コイル。
【請求項３】
回転体に実装され磁気的結合により送電コイルから受電コイルに無線給電を行う無線電力伝送装置であって、
前記送電コイルおよび前記受電コイルの少なくとも一方は、
前記回転体の円周方向に沿う三日月形状であり、
コイルの閉ループ中に前記回転体を含まないものであり、
前記コイルは２つのコイルからなり、
前記２つのコイルは、回転体の円周方向に沿った形状で対称に配置され、
前記２つのコイルに電流が流れることにより発生する磁束が回転体の軸方向に平行で同一方向であり、
前記回転体の外周に対し閉ループを作らないように前記２つのコイルを接続し、
前記２つのコイルは、２つのコイルが接続された側とは反対側に接続されない部分を有し、前記接続されない部分の２つのコイルを離すことができるように構成し、
前記接続されない部分の２つのコイルを離し回転体の半径方向からを前記回転体に通すことで、前記回転体に２つのコイルを実装できるようにしたことを特徴とする無線電力伝送装置。
【請求項４】
請求項３に記載の無線電力伝送装置において、
前記回転体にセンサと変調回路を実装するとともに、送電部に復調回路を設け、
前記送電コイルからの送電電力を前記受電コイルにより受電した電力により前記センサと前記変調回路を駆動する構成であり、
前記センサからのセンサデータを前記変調回路で変調し、前記受電コイルから前記送電コイルに伝送し、前記復調回路からセンサデータを取り出すことを特徴とする無線電力伝送装置。
【請求項５】
請求項３に記載の無線電力伝送装置において、
前記２つのコイルは、直列もしくは並列に共振容量を付加して共振回路を構成し、
前記共振回路が直列共振の場合は直列に、並列共振の場合は並列に各コイルを接続したことを特徴とする無線電力伝送装置。
【請求項６】
請求項３に記載の無線電力伝送装置において、
前記コイルは、前記回転体の周方向に沿って巻かれた三日月形状の給電コイルと、その内側に巻かれた、両端に共振容量を付加した共鳴コイルとを備えることを特徴とする無線電力伝送装置。
【請求項７】
請求項３ないし６の何れか１項に記載の無線電力伝送装置を備える回転体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線給電技術に関し、例えば、携帯端末などの小型携帯機器のバッテリに非接触により充電を行う無線充電や回転体などへの無線給電、さらに、無線給電中にデータ伝送を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯端末などの携帯機器などでは小型、薄型化が進んだ反面、充電の時のコネクタ接続が煩わしい状況にあり、無線給電による充電の要求が高まっている。
【０００３】
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。
【０００４】
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を実装して計測データを取得する回転体センシングの要求が高まっている。回転体センシングでは回転するセンサに対して電力供給とセンサデータの取得を行う必要がある。上記要求に対し、スリップリングなどの機械的接点を有する方式は、接点摩耗や接触状態により発生するノイズの影響があるため、無線による給電とデータ伝送を行うことが望ましい。
【０００５】
特許文献１には、回転体などの可動部において、非接触による給電を実現することが開示されている。図１３Ａ、Ｂはその構成を示したもので、複数の系統ごとに非接触による給電が可能な構成となっている。図において、３０は送受信部、５０は送信アンテナ、６０は受信アンテナである。図において、送信アンテナ５０は、送信側コイル８０ａから８０ｃと所定の透磁率の送信用スペーサ７０ａから７０ｃからなり、各送信側コイル８０ａから８０ｃはそれぞれ異なる径で構成され、回転体の軸心の周りに各々所定のギャップを有して重ねられている。送信側スペーサ７０ａから７０ｃは、系統ごとに送信側コイル８０ａから８０ｃによる磁束をコントロールするよう所定の透磁率の部材により構成され、各コイル間のギャップを確保している。同様に、受信アンテナ６０は、受信側コイル１００ａから１００ｃと所定の透磁率の受信用スペーサ９０ａから９０ｃからなり、各受信側コイル１００ａから１００ｃはそれぞれ異なる径で構成され、回転体の軸心の周りに送電側の各コイルと対になるように各々所定のギャップを有して重ねられている。受信側スペーサ９０ａから９０ｃは系統ごとに受信側コイル１００ａから１００ｃによる磁束をコントロールするよう所定の透磁率の部材により構成することで、各コイル間のギャップを確保している。
【０００６】
以上の構成で、送電側アンテナ５０と対となる可動部分となる受電側アンテナ６０との各コイル間の結合が強くなることで、各系統での無線給電が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−９０６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、可動部での非接触の給電が可能となるが、この構成を回転体の製品に適用することを考えた場合、送信アンテナ５０と受信アンテナ６０を回転体に実装するには回転体の端から各アンテナ内を通す必要がある。上記構造は新規製品に搭載する場合には、製造の工程の一つとして組み込めば良いが、既存製品への後付けを考えた場合、あるいは製品出荷前の検査や定期検査のときだけ計測したい場合などは、金属シャフトなどの回転部分を分解する必要があるため、アンテナコイルの着脱が煩わしいという課題があった。さらに製品搭載でも故障時などは交換が必要であるため、アンテナコイルの着脱は容易なほうが望ましい。着脱可能な構成としては、例えば、円筒形のコイルを上下２つに分離し、上下に分かれた巻き線間をそれぞれコネクタなどで接続する手法も考えられるが、回転体では回転による遠心力や回転時の振動等により接触不良となることが考えられるため、コネクタなどの使用は避けたい。
【０００９】
さらに、回転体としては主に金属シャフトなどが用いられるが、送信アンテナおよび受信アンテナは回転体の外周に巻きつけられる構成となるため、無線給電時に各アンテナに流れる電流による磁束のうち密度が大きくなるコイル中心部分に金属シャフトが配置されるため、シャフト表面に大きな渦電流が流れる。この渦電流により、シャフト表面から不要な電磁界が発生し、これが、他の無線機器などに干渉を与える恐れがある。また、これとは逆にシャフトに電動機などが接続されている場合、電動機の電機子コイルから発生した電磁界がシャフトを介して送電アンテナあるいは受電アンテナと結合して無線給電装置の回路が誤動作する恐れもある。このため、無線給電による金属シャフトを介した不要輻射を抑止する必要がある。また、無線給電の伝送効率が悪いと送電電力を増やす必要があるが、この場合、金属シャフトを介した電磁界の不要輻射も増えるので、コイル間の伝送効率を上げること、および、回転体の回転角による効率低下も抑える必要がある。
【００１０】
本発明は、回転体への送受電コイルの着脱が容易で、コイル間の伝送効率が高く、電磁界の不要輻射を抑止した無線電力供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明の送電または受電コイルの一例を挙げるならば、
回転体に実装され磁気的結合を用いた無線給電に用いられる送電または受電コイルであって、前記回転体の円周方向に沿う三日月形状の２つのコイルからなり、前記２つのコイルは、前記回転体の円周方向に沿った形状で対称に配置され、前記２つのコイルに電流が流れることにより発生する磁束が前記回転体の軸方向に平行で同一方向であり、前記２つのコイルの間に共振容量を介して、前記２つのコイルが直列に接続されており、前記２つのコイルは閉ループを形成し、前記２つのコイルの閉ループ中に前記回転体を含まないものであり、前記２つのコイルは、２つのコイルが接続された側とは反対側に接続されない部分を有し、前記接続されない部分の２つのコイルを離すことができるように構成し、前記接続されない部分の２つのコイルを離し回転体の半径方向から前記回転体に通すことで、前記回転体に２つのコイルを実装できるようにしたものである。
【００１２】
また、本発明の無線電力伝送装置の一例を挙げるならば、
磁気的結合により回転体に実装された送電コイルから受電コイルに無線給電を行う無線電力伝送装置であって、前記送電コイルおよび前記受電コイルの少なくとも一方は、前記回転体の円周方向に沿う三日月形状であり、コイルの閉ループ中に前記回転体を含まないものであり、前記コイルは２つのコイルからなり、前記２つのコイルは、回転体の円周方向に沿った形状で対称に配置され、前記２つのコイルに電流が流れることにより発生する磁束が回転体の軸方向に平行で同一方向であり、前記回転体の外周に対し閉ループを作らないように前記２つのコイルを接続し、前記２つのコイルは、２つのコイルが接続された側とは反対側に接続されない部分を有し、前記接続されない部分の２つのコイルを離すことができるように構成し、前記接続されない部分の２つのコイルを離し回転体の半径方向から前記回転体に通すことで、前記回転体に２つのコイルを実装できるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転体に実装する送受電コイルの着脱が容易なコイル構造が得られる。また、シャフトに表面に流れる渦電流が抑えられることにより、シャフトからの電磁界の不要輻射が小さい送受電コイルが得られる。さらに、渦電流が抑えられること、および、各コイルに共振容量を用いて送電周波数と共振させることにより、コイル間の伝送効率が高い送受電コイルが得られる。さらに、コイルが対称構造であるため回転角による伝送効率変動の少ない送電および受電コイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態の無線電力伝送装置を示す構成図である。
【図２】第１の実施形態の無線電力伝送装置の回路部分を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態の無線電力伝送装置のコイル着脱容易性を示す図である。
【図４Ａ】第１の実施形態の無線電力伝送装置の無線給電動作を示す図である。
【図４Ｂ】第１の実施形態の無線電力伝送装置の送受電コイル間の等価回路を示す回路図である。
【図５】第１の実施形態の無線伝送装置の送受電コイルの別な構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態の無線伝送装置の送受電コイルのさらに他の構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態の無線電力伝送装置の回路部分を示すブロック図である。
【図８】第３の実施形態の無線電力伝送装置の回路部分を示すブロック図である。
【図９】第４の実施形態の無線電力伝送装置の回路部分を示すブロック図である。
【図１０Ａ】第４の実施形態の無線電力伝送装置の送電コイルを示す図である。
【図１０Ｂ】第４の実施形態の無線電力伝送装置の送電コイルの等価回路を示す回路図である。
【図１１】第５の実施形態の無線電力伝送装置を電動機に搭載した一例を示す図である。
【図１２Ａ】第１の実施形態の無線電力伝送装置の効果を示す特性図である。
【図１２Ｂ】第１の実施形態の無線電力伝送装置の他の効果を示す特性図である。
【図１３Ａ】無線電力伝送装置の従来技術の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】無線電力伝送装置の従来技術の一例を示す図である。
【図１４】着脱容易なコイル構成を説明するためのコイルの一例を示す図である。
【図１５】着脱容易なコイル構成を説明するためのコイルの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の、金属シャフトなど回転体へのアンテナコイルの着脱が困難であるという課題を解決するため、回転体へのコイルの実装構造について検討を行った。図１３Ａ，Ｂで示した従来技術では、シャフトにコイルを巻きつける構造であり、コイルの閉ループの中にシャフトが存在することから、コイル実装にはシャフトの端部からコイルの内側を通す必要があり、シャフトを取り付けてある状態から外さなければならない。
【００１６】
従来のコイルが金属シャフトの外周に巻かれる構造に対し、図１４に示すようにコイルの閉ループの中にシャフトが存在しない構造が考えられる。図では、ループの一部を切り欠いたＣ字型に沿ってコイルが巻かれる構造である。しかし、この場合、コイルの切り欠き部分(図１４のａ−ａ’ 間)からシャフトを通す場合、切り欠き部分を広げなければコイルを通すことは困難であり、特にコイルを基板パターン化した場合はコイルの着脱は不可能である。
【００１７】
これに対し、図１５に示すようにコイルを三日月形状の複数構成（図では２つ）とすると切り欠き部分が図ではｂ−ｂ’とｃ−ｃ’の２箇所となるため、切り欠き部分ｂ−ｂ’間を広げることが容易となるためシャフトを取り外すことなく実装を可能とすることができる。さらに、図１５の構成ではコネクタなど用いることなく着脱が容易な構成が得られるため、回転による遠心力や振動に対しても従来技術と同様に強いと言える。
【００１８】
また、金属シャフトからの電磁界の不要輻射が大きいという課題については、上述の着脱容易なコイル構成と同じように、コイルの閉ループの中にシャフトが含まれないようにするとともに、コイルを複数構成とし、さらに対称な形状でシャフトの外周に配置する構成とした。図１５は、上記構成条件も含まれており、コイルの閉ループの中にシャフトが含まれない構造であることから、コイルから生じる磁束密度は金属シャフト面では小さくなるので、シャフトからの不要輻射を抑えることが可能となる。さらに、コイルが対称構造となることから、図１５のｂ−ｃ間で生じる磁束とｂ’−ｃ’間で生じる磁束は同じ向きでシャフトの軸方向となるので、お互いが反発しあいシャフトの外側に磁束が向かうことでシャフト側の磁束が小さくなることから、より不要輻射を抑圧することが可能となる。
【００１９】
さらに、不要輻射の抑圧には、コイル間の伝送効率を向上すること、および、回転体の回転角による効率低下も抑える必要がある。コイル間効率向上は、上記複数コイル構造に対し、各コイルに送電周波数に共振する共振容量を付加してコイルの共振を利用する構成とした。また、共振回路が直列共振の場合は複数コイルを直列に、並列共振の場合は並列に接続する構成とした。これは各コイルが直列共振の場合は共振時にインピーダンスがかなり低くなるため、コイル同士の接続は並列に接続するとインピーダンスのより低いコイルに電流が偏ってしまうので直列に、また、各コイルが並列共振の場合は共振時にインピーダンスがかなり高くなるため、接続するコイル同士の接続は直列に接続するとインピーダンスの高いほうのコイルに電圧が偏ることから並列に接続するようにした。これにより複数コイル間での接続の影響を小さくすることで共振による高効率化が劣化しない構成とした。さらに、コイルの閉ループの中に金属シャフトが含まれない構成とすることでシャフトに流れる渦電流による損失が少なくなるので高効率化が図れる。また、コイルの回転角による効率変動は、複数コイルを対称な形状とすることで、コイル間の結合が角度によらず一定となることから、回転角による効率変動も抑えることが可能となる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明を説明するための各図において、同一の機能を有するものは、なるべく同一の符号を付けて、その繰り返しの説明は省略する。
【第１の実施形態】
【００２１】
図１には、無線電力伝送装置の第１の実施形態の構成を、図２には、無線給電部分の回路構成を示している。
【００２２】
まず、無線電力伝送装置の回路構成を図２により説明する。図２において、１は第１の送電コイル、２は第２の送電コイル、３は第１の受電コイル、４は第２の受電コイル、１１０は第１の送電コイル基板、１１１は第２の送電コイル基板、１１２は第１の受電コイル基板、１１３は第２の受電コイル基板である。第１の送電コイル基板１１０上に第１の送電コイル１が、第２の送電コイル基板１１１上に第２の送電コイル２が、パターンにより形成されている。同様に、第１の受電コイル基板１１２上に第１の受電コイル３が、第２の受電コイル基板１１３の上に第２の受電コイル４が、パターンにより形成されている。そして、送電コイル１，２と受電コイル３，４がそれぞれ対となって対向して金属シャフト５の周上に実装されている。
【００２３】
送電回路部７は、発振器２０１、送電アンプ２０２、センサデータ出力端子２０３、受信機２０４、復調回路２０５、アンテナ２０６より構成されている。図の送電回路部７において、発振器２０１は送電アンプ２０２を介して高周波ケーブル１２０に接続され、高周波ケーブル１２０にはそれぞれ共振容量２１０、２１１を介して送電コイル１、２が接続されている。また、送電コイル１、２はそれぞれ金属シャフト５の外周に沿って対称に、かつ、それぞれのコイルの閉ループの中に金属シャフト５が含まれないように配置されている。さらに、受信機２０４は、アンテナ２０６が接続されるとともに、復調回路２０５を介してセンサデータ出力端子２０３に接続される。
【００２４】
受電回路部８は、整流回路２３０、電源回路２３１、送信機２３２、変調回路２３３、アンテナ２３４から構成され、高周波ケーブル１２２は整流回路２３０の入力に接続され、さらに整流回路２３０の出力は電源回路２３１の入力に接続される。電源回路３２１の出力は、送信機２３２および変調回路２３３に接続されるとともに信号線１２１を介してセンサ６に接続される。また、高周波ケーブル１２２には、それぞれ共振容量２２０、２２１を介して受電コイル３、４が接続される。受電コイル３、４は、送電コイルと同様に、それぞれ金属シャフト５の外周に沿って対称に、かつ、それぞれのコイルの閉ループの中に金属シャフト５が含まれないように配置される。また、送信機２３２は、変調回路２３３と信号線１２１を介してセンサ６のデータ出力に接続される。
【００２５】
次に無線電力伝送装置の構造について、図１を用いて説明する。図１において、１０１は軸受け、１０２はベアリング、１０３、１０４は第１と第２のセパレートタイプのカラー、１０５は受電回路部８を内蔵するための基板内蔵用溝である。図において金属シャフト５は、ベアリング１０２により回転可能な状態で軸受け１０１により本体に固定されており、さらに、第１の送電コイル基板１１０と第２の送電コイル基板１１１が軸受け１０１の側面にねじ止めなどにより固定される。また、第１送電コイル１と第２の送電コイル２に接続されている信号ケーブル１２０は、軸受け１０１の上部の平面部分に搭載された送電回路部７に接続される。
【００２６】
一方、第１のセパレートタイプのカラー１０３と第２のセパレートタイプのカラー１０４の側面には、それぞれ第１の受電コイル基板１１２と第２の送電コイル基板１１３がねじ止めなどにより実装され、さらに、第１のセパレートタイプのカラー１０３と第２のセパレートタイプのカラー１０４は金属シャフト５に固定される。また、受電回路部８は、基板内蔵用溝１０５によりカラーの内部に内蔵され、信号ケーブル１２２を介して第１の受電コイル３および第２の受電コイル４に接続される。また、金属シャフト５の表面に実装されたセンサ６は、信号線１２１により受電回路部８に接続される。なお、第１のセパレートタイプのカラー１０３と第２のセパレートタイプのカラー１０４は、第１の送電コイル１と第２の送電コイル２で構成される送電コイルと第１の受電コイル３と第２の受電コイル４で構成される受電コイル間で行われる磁気的結合による無線電力伝送が高効率となるコイル間距離に取り付けされている。
【００２７】
次に回路の動作について図２を用いて説明する。図において、送電回路部７に搭載された発振器２０１は送電周波数に等しい周波数で発振し、送電アンプ２０２により増幅され、高周波ケーブル１２０と共振容量２１０、２１１を介して、第１の送電コイル１と第２の送電コイル２に給電される。このとき、対称構造となっている第１の送電コイル１と第２の送電コイル２はそれぞれ送電周波数と共振するように共振容量２１０、２１１の容量値を選んでいるため、送電周波数で送電された場合、磁界エネルギーとして最も効率よく送電される。
【００２８】
送電周波数で送電された電力波は、第１の受電コイル３と第２の受電コイル４により受電され、共振容量２２０，２２１および高周波ケーブル１２２を介して整流回路２３０に入力される。入力された電力波は整流回路により直流に変換され、電源回路２３１に入力される。電源回路２３１では、入力された直流電圧がコイル間の結合条件等により電圧レベルが変動するため、一定の出力電圧に変換を行い、信号線１２１を介してセンサ６および送信機２３２、変調回路２３３に電力を供給する。なお、受電側も送電側と同じように、対称構造となっている第１の受電コイル３と第２の受電コイル４はそれぞれ送電周波数と共振するように共振容量２２０、２２１の容量値を選んでいるため、送電周波数で送電された電力を効率よく受電することが可能となる。
【００２９】
次に、センサ６からのデータ伝送の動作について図２を用いて説明する。図において、金属シャフト５の表面に実装されたセンサ６からは、ひずみ量や加速度などに関係したセンサ電圧が出力され、変調回路２３３によりデータを変調して送信機２３２からアンテナ２３４を介して送信される。送信されたセンサ信号は送電回路部７のアンテナ２０６を介し受信機２０４で受信され、復調回路２０５により復調され、センサデータ出力端子２０３より出力される。
【００３０】
以上の構成では、送電回路部７から送電コイルにより無線で電力を送電し、受電コイルにより受電回路部８で電力を受電し、その電力を用いてセンサ６、送信機２３２および変調回路２３３に電力を供給する。また、センサ６からのセンサデータは送信機２３２から送信され、受信機２０４により受信し、センサデータ出力端子２０３よりセンサデータが出力される。
【００３１】
なお、図の無線電力伝送装置で用いられる送電の周波数は、数１０ｋＨｚから３０ＭＨｚ程度の周波数が適用可能であり、特に、ＩＳＭ帯である１３.５６ＭＨｚ等が適している。また、送電アンプ２０２は高効率が期待できるＤ級やＥ級のスイッチング方式のアンプが適しているが、無線機のパワーアンプなどに用いられているＡＢ級やＢ級のアナログ方式のアンプでもよい。また、データ伝送方式としては、２.４ＧＨｚ帯のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などが用いられ、センサ６にはひずみゲージや加速度センサなどが用いられる。
【００３２】
図１では、送電回路部７または受電回路部８を、送電コイル基板１１０，１１１または受電コイル基板１１２，１１３と離して配置したが、送電コイル基板１１０，１１１の表面に送電コイル１，２のパターンを形成するとともに裏面に送電回路部７のパターンを形成し、また、受電コイル基板１１２，１１３の表面に受電コイル３，４のパターンを形成するとともに裏面に受電回路部８のパターンを形成するようにしても良い。この場合は、送電コイルと送電回路部、或いは、受電コイルと受電回路部を一体として回転体に取り付け、取り外しを行うことができるので、取り扱いが簡単となる。
【００３３】
次に、図３を用いて送電コイルおよび受電コイルの着脱容易な構成について説明する。図は、送受電コイルが対向している面で開いた断面を示した図である。図において、３０１、３０２は端子であり、その他、図２で示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図において、端子３０１、３０２はそれぞれ共振容量２１０，２１１を介してそれぞれ第１の送電コイル１および第２の送電コイル２に接続されている。図において、共振容量２１０，２１１が接続されている第１のコイル基板１１０と第２のコイル基板１１１の境界部分（図ではｃ−ｃ’の部分）に対し反対側の境界部分（ｂ−ｂ’の部分）は、送電コイル間で接続がないため、ｂ−ｂ’の部分を広く開けることができるので金属シャフト５を半径方向から通すことが可能となる。
【００３４】
次に、図４Ａを用いて送受電コイル間伝送の動作を説明する。図において、４０１は信号源、４０２は負荷抵抗であり、その他、図２および図３で示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図において、信号源４０１は共振容量２１０、２１１を介して第１の送電コイル１と第２の送電コイル２と接続される。この時、送電コイルのインダクタンスをＬ１、共振容量をＣ１，送電周波数をｆとすると、ｆ＝１／（２π√（Ｌ１Ｃ１）となるように共振容量Ｃ１の値を定めている。このため、図の場合、上下のコイルは共に直列共振状態となり、かつ、２つのコイルは直列接続されているため、図のように同じ方向で同位相の電流が流れるので、送電コイルに発生する磁束もシャフトの軸方向に平行でかつ同位相となり、さらに、送電周波数が共振周波数に等しい場合にコイルの流れる電流が最も大きくなる。
【００３５】
一方、受電コイルにも送電コイルと同様の構成のコイルを用いるとともに、共振容量２２０、２２１の両端に負荷抵抗４０２を接続し、さらに、受電コイルのインダクタンスをＬ２、共振容量をＣ２、送電周波数をｆとすると、ｆ＝１／（２π√（Ｌ２Ｃ２）となるように共振容量Ｃ２の値を定めている。
【００３６】
このような構成とすることにより、送電コイルの磁束により受電側コイルで発生する起電力によって流れる電流の方向が同じくなるように接続し、かつ、送受電コイルの共振周波数を等しくして共振を利用することにより高効率な伝送特性を得ることができる。
【００３７】
次に、図４Ｂを用いて回転体に用いた場合に回転角によるコイル間効率の変動が小さい理由を説明する。図は、図４Ａで示したコイル構成を等価回路で示したもので、４１０、４１１は端子であり、その他、図２および図４Ａで示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図において、第１の受電コイル３および第２の受電コイル４はそれぞれ、共振容量２２０、２２１を介して端子４１０、４１１に接続されている。図において、第１の送電コイル１と第２の送電コイル２から構成される送電コイルと第１の受電コイル３と第２の受電コイル４から構成される受電コイルでは、主にｋ１からｋ４の４通りのコイル間結合が考えられる。図４Ａで示した回転角の場合は、ｋ１とｋ２のコイル間結合が強く、ｋ３とｋ４の結合は小さいと考えられる。この結合状態の回転角を０°とすると回転角が増していくと、ｋ１とｋ２のコイル間結合は弱くなり、その分、ｋ３とｋ４の結合は強くなる。そして、回転角が９０度の時、ｋ１からｋ４の結合はほぼ同じくなると考えられる。また、ｋ１からｋ４のコイル間の結合度の和は回転角によらずほぼ一定と考えられるため、回転角によるコイル間の効率変動は小さいと考えられる。
【００３８】
次に、図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１および図２で示した無線電力伝送装置の第１の実施の形態の効果を示すものである。図１２Ａは、コイル間の伝送特性の実験結果を示したもので、図の横軸は送受電コイルのコイル間距離、縦軸はコイル間の伝送効率であり、回転角を０°、４５°、９０°の３通りに変えて測定した結果を示すものである。なお、測定に用いたコイルは、金属シャフト径が５０ｍｍに対し、コイルの内径を７０ｍｍ、外径を１２０ｍｍ、コイルの巻き数は３ターンとし、伝送周波数は１３.５６ＭＨｚを用いた。図の特性よりコイル間距離２０ｍｍ付近でコイル間効率は８０％近くの比較的高効率な性能が得られており、さらに回転角による効率変動もほとんどないことから回転体の給電に用いることが可能であることが分かる。
【００３９】
さらに、図１２Ｂは、金属シャフトからの電磁界の漏洩レベルを測定した結果を示したものである。測定の方法は、送電コイルのみとし、送電コイルから約３０ｃｍ離れた金属シャフト上に数ターンのコイルをピックアップコイルとして巻くことでシャフトに漏れる電磁界レベルを検出できるようにしたものである。なお、測定はネットワークアナライザにより送電コイルとピックアップコイル間の伝送特性（Ｓ２１特性）を測定した結果を用いたもので、伝送特性のレベルが高い場合は漏洩レベルが大きいと考えられる。
【００４０】
図において、横軸は伝送周波数、縦軸は伝送特性であり、図から従来のシャフトに巻きつける構造では、伝送周波数帯である１３.５６ＭＨｚ帯付近ではコイルの共振現象により漏洩レベルが最も高くなることが分かる。これに対し、無線電力伝送装置の第１の実施の形態では、伝送周波数帯でむしろ漏洩レベルが低くなっていることが分かる。これは、金属シャフトの金属面が、コイルの外周部分で発生する磁界とコイルの内周部分で発生する磁界に影響を与えることでシャフトの表面に流れる渦電流が減少するためと考えられる。
【００４１】
以上の結果から、回転角によらずコイル間の伝送効率が高く、さらに、金属シャフトからの電磁界の不要輻射が小さいコイル構成が得られることが分かる。
【００４２】
以上のような構成とすることで、金属シャフトへの着脱が容易で、コイル間の伝送効率も高く、回転角によるコイル間の効率の変動が少なく、さらに、シャフトからの電磁界の不要輻射の小さい送受電コイルを得ることができる。
【００４３】
次に図５は、図４Ａで示したコイルを変形した構成を示したものである。図において、５０１は共振容量であり、その他、図２および図４Ａで示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図５は図４Ａと比較して異なる点は、共振容量２１０と２１１は直列接続であるため、これら２つの容量をまとめた構成となっており、容量値としては約２分の１の大きさとなる。また、共振容量５０１はコイルの対称性を保つため、第１の送電コイル１と第２の送電コイル２の接続点に挿入する構成としている。
【００４４】
以上の構成とすることにより、図４Ａで示した送受電コイルと同様の効果が得られる上に、共振容量を一つにまとめたことで部品点数を減らすことができるとともに、共振周波数の容量調整が１箇所で済むため調整も行いやすい送受電コイルを得ることができる。
【００４５】
次に図６は、図４Ａで示したコイルをさらに変形した構成を示したものである。図において、６０１、６０２は第１と第２の送電コイル、６０３は共振容量であり、その他、図２および図４Ａで示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図６は図４Ａと比較して異なる点は、第１と第２の送電コイル６０１、６０２が並列接続されており、共振容量６０３は、各々のコイルの並列共振容量を加えた値となっている。このため、送電コイルのインダクタンスをＬ、共振容量を２Ｃ、送電周波数をｆとすると、ｆ＝１／（２π√（ＬＣ）となるように共振容量２Ｃの値を定めている。
【００４６】
以上の構成では、図４Ａで示した送受電コイルと同様の効果が得られる上に、並列共振構成となるため、コイルが接続される受電回路部や送電回路部の入出力インピーダンスが高い場合、インピーダンス整合が取り易い送受電コイルを得ることができる。
【００４７】
以上の図５および図６で示したコイル構成は、送電コイルおよび受電コイルに適用可能である。
【第２の実施形態】
【００４８】
図７には、無線電力伝送装置の第２の実施形態の回路構成を示したものである。図において、７０１は復調回路、７０２は変調回路であり、その他、図２および図４Ａで示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図７において図２と比較して異なる点は、センサ６からのセンサデータを変調回路７０２により変調して無線給電の受電コイルから送電コイルに伝送し、送電回路部７の復調回路７０１からセンサデータを取り出す構成となっている。このとき、無線給電に用いる周波数に送受電コイルが共振しているため、センサデータの伝送に用いる周波数が異なっている場合は、コイル間のデータ伝送の効率は低下するがコイル間が近距離であるため、データ伝送は可能である。この時のデータ伝送の変調方式としては、ＡＳＫ変調方式やＦＳＫ変調方式などの変調方式が用いられる。この時の送電周波数にＩＳＭ帯である１３.５６ＭＨｚを用いた場合、データ伝送の周波数に、例えば、ＦＭラジオの受信機の中間周波数に用いられている１０.７ＭＨｚの周波数を用いることでデータ伝送が可能となる。さらに、データ伝送を送電周波数と同じとし、受電側コイルのインピーダンスをセンサデータにより変化させることで送電電力の反射波が変わることを利用した主にＩＣカードなどで用いられる変調方式によってもデータ伝送が可能となる。
【００４９】
本実施例によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られる上に、データ伝送に必要なアンテナを送受電コイルで供用することで、部品点数の削減や回路の簡略化が可能な無線電力伝送装置を得ることができる。なお、送受電コイルは、図５で示した直列共振の容量を一つにまとめた構成であっても、図６に示した並列共振構成のコイルであってもよい。
【第３の実施形態】
【００５０】
図８には、無線電力伝送装置の第３の実施形態の回路構成を示したものである。図において、８０１は送電コイル、８１０は送電コイル基板、８１１は共振容量であり、その他、図２および図４Ａで示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。
【００５１】
図８は図２と比較して異なる点は、送電コイルが一つのコイル形状となっており、三日月形状の送電コイル基板８１０上に送電コイル８０１がパターンにより形成されており、共振周波数が送電周波数に等しくなるように共振容量８１１の値を選んでいる。図の送電コイルが１つの構成は、等価回路で考えた場合、図４Ｂにおいて、第２の送電コイル２および共振容量２１１を削除した構成となっているため、コイル間の結合もｋ１とｋ３のみとなる。この場合であっても、コイルの回転角に対し、コイル間結合のｋ１とｋ３の和は回転角によらずほぼ一定となるため、回転角による効率変動を小さくすることができる。
【００５２】
本実施例によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られるのに加え、送電コイルが１つで済むので、コイルの着脱がさらに容易な無線電力伝送装置を得ることができる。
【００５３】
上記は、送電コイルが１つの構成であったが、受電コイルが１つの構成としても同様の効果が得られる。
【第４の実施形態】
【００５４】
図９には、無線電力伝送装置の第４の実施形態の回路構成を示したものである。図において、９０１は給電コイル、９０２は共鳴コイル、９０３は共振容量であり、その他、図８および図４Ａで示した第３の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図９は図８と比較して異なる点は、送電コイルに従来の電磁誘導方式よりも距離特性に優れる磁気共鳴方式を用いた点であり、共鳴コイル９０２の両端には共振容量９０３が接続され、さらに共鳴コイル９０２の外側には給電コイル９０１を配置する構成となっている。さらに、共振容量９０３は共鳴コイル９０２のインダクタ成分と送電周波数に等しい周波数で共振するように容量値が選ばれている。
【００５５】
次に、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて共鳴方式のコイル構成および動作を説明する。図１０Ａにおいて、給電コイル９０２が共鳴コイル９０１の外周に接近して巻かれているため、磁気的結合により共鳴コイル９０２から共鳴コイル９０１に給電電力が供給される。ここで、共鳴コイル９０１は共振容量９０３と共振回路を構成しているため、共鳴コイル９０１に共振電流が流れることで共鳴コイルからは強い磁界が発生する。このため、共鳴コイルから受電コイルへの電力伝送が高効率で可能となる。図１０Ｂには、この共鳴方式のコイルの等価回路を示したものである。一般的には、共鳴コイル９０１に接近して給電コイル９０２が配置され結合が大きいので、給電コイル９０２は、共鳴コイルの数ターンから１０数ターンに対し、１〜２ターン程度で給電が可能となっている。
【００５６】
本実施例によれば、図８で示した無線電力伝送装置の第３の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、磁気共鳴方式を用いたことでコイル間距離を大きく取ることができるので、コイル実装がさらに容易な無線電力伝送装置を得ることができる。
【第５の実施形態】
【００５７】
図１１は、図１および図２で示した無線電力伝送装置の第１の実施の形態を回転体に適用した場合の一例を示したものである。図において、１０は電動機、１１は軸継手、１２は軸受けであり、その他、図１および図２で示した第１の実施の形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。図において、電動機１０の回転軸は軸継手１１により金属シャフト５と接続されるとともに、金属シャフト５は、ベアリングを内蔵した軸受け１２、１０１により回転が可能な状態で本体に固定されている。また、センサ６は、金属シャフト５に実装されており信号線１２１によりセパレートタイプのカラー１０３の溝に実装されている受電回路部８に接続されている。また、受電コイル基板１１２と１１３はセパレートタイプのカラー１０３、１０４に固定され、さらにカラーも金属シャフト５に固定されているので、受電コイル基板、センサおよび受電回路部等は、シャフトと一緒に回転する。一方、送電コイル基板は軸受け１０１に固定されるため、シャフトの回転に対し固定となる。
【００５８】
本実施例によれば、電動機による金属シャフト５の状態をセンシングするためのセンサ６への無線給電とデータ伝送が可能であり、さらに、送受電コイルの着脱が容易でシャフトからの不要輻射の小さい無線電力伝送装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１、２、６０１，６０２、８０１  送電コイル
３、４  受電コイル
５  金属シャフト
６  センサ
７  送電回路部
８  送電回路部
１０  電動機
１１  軸継手
１２、１０１  軸受け
３０  送受信部
５０  送信アンテナ
６０  受信アンテナ
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ  送信用スペーサ
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ  送信側コイル
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ  受信用スペーサ
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  受信側コイル
１０２  ベアリング
１０３  第１のセパレートタイプのカラー
１０４  第２のセパレートタイプのカラー
１０５  基板内蔵用溝
１１０、１１１、８１０  送電コイル基板
１１２、１１３  受電コイル基板
１２０、１２２  高周波ケーブル
１２１  信号線
２０１、４０１  発振器
２０２  送電アンプ
２０３  センサデータ出力端子
２０４  受信機
２０５、７０１  復調回路
２０６、２３４  アンテナ
２１０、２１１、２２０、２２１、５０１、６０３、８１１、９０３  共振容量
２３０  整流回路
２３１  電源回路
２３２  送信機
２３３、７０２  変調回路
３０１，３０２、４１０，４１１  端子
４０２  負荷抵抗
９０１  給電コイル
９０２  共鳴コイル
【図１】
0006584896.tif 000002
【図２】
0006584896.tif 000003
【図３】
0006584896.tif 000004
【図４Ａ】
0006584896.tif 000005
【図４Ｂ】
0006584896.tif 000006
【図５】
0006584896.tif 000007
【図６】
0006584896.tif 000008
【図７】
0006584896.tif 000009
【図８】
0006584896.tif 000010
【図９】
0006584896.tif 000011
【図１０Ａ】
0006584896.tif 000012
【図１０Ｂ】
0006584896.tif 000013
【図１１】
0006584896.tif 000014
【図１２Ａ】
0006584896.tif 000015
【図１２Ｂ】
0006584896.tif 000016
【図１３Ａ】
0006584896.tif 000017
【図１３Ｂ】
0006584896.tif 000018
【図１４】
0006584896.tif 000019
【図１５】
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