(57)【要約】【課題】高い受電効率が得られ、カプセルに搭載可能な受電装置、および受電装置搭載カプセルを提供する。【解決手段】非接触電力伝送する送電装置から電力を取得する受電装置１０であって、透磁率の高い材料で形成された本体２０と、前記本体内に設けられたキャパシタモジュール１３と、前記本体の側面に巻回して配置され、前記キャパシタモジュールと電気的に接続された受電コイル１２とを備え、前記キャパシタモジュールは、前記受電コイルとともに共振回路を構成する共振コンデンサおよび整流回路を含むモジュールと、電力を蓄える蓄電コンデンサとを含むことを特徴とする。【選択図】図２
2016127700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触電力伝送する送電装置から電力を取得する受電装置であって、
透磁率の高い材料で形成された本体と、
前記本体内に設けられたキャパシタモジュールと、
前記本体の側面に巻回して配置され、前記キャパシタモジュールと電気的に接続された受電コイルとを備え、
前記キャパシタモジュールは、
前記受電コイルとともに共振回路を構成する共振コンデンサおよび整流回路を含むモジュールと、
電力を蓄える蓄電コンデンサと
を含むことを特徴とする受電装置。
【請求項２】
前記本体は、機械的共振子を含むことを特徴とする請求項１記載の受電装置。
【請求項３】
前記機械的共振子は、
振動板と、
前記振動板上に載置され、前記受電コイルに磁界結合する永久磁石と
を含むことを特徴とする請求項２記載の受電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の受電装置をカプセル型筐体に搭載したことを特徴とする受電装置搭載カプセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受電装置に係り、特に磁界共鳴を使用した非接触電力伝送用の受電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する技術として、電磁誘導現象を利用した方式よりも伝送距離が長い磁界共鳴現象を利用した方式が盛んに開発されている。磁界共鳴現象を利用した方式の基本的な送受電系は、対面して配置された送電コイルと受電コイルとの一対の共振コイル（例えばＬＣ共振コイル）を備えている。コイルとコンデンサとによって共振回路が構成される。磁界共鳴方式では、共振周波数に対してコイル間で共鳴が生じ、高周波磁界を媒介して送電装置から受電装置に電力が伝送される。伝送する距離が長い場合には大型のコイルが用いられ、伝送する電力が大きい場合も同様に大型のコイルが用いられる。
【０００３】
非接触電力伝送は、人体内埋め込みカプセルやカプセル型内視鏡においても研究されている。大きさが制限されたカプセルに搭載されるので、こうした用途に適用する受電装置は、小型化が要求される。なお受電した電力は、蓄電コンデンサに蓄積されて様々な機能素子に電力供給される。
【０００４】
非接触電力伝送を適用したカプセル型内視鏡が開示されている（例えば、非特許文献１）。ここに開示されているカプセル型内視鏡は、直径９ｍｍ、長さ２３ｍｍのピル型の外形の超小型カプセル型ＣＣＤカメラの一般的な構成である。受電コイル、蓄電コンデンサおよび共振コンデンサは、他の部品とともにカプセルに搭載されている。
【０００５】
一方、機械的共振子を使用した磁気機械システムの非接触電力伝送が提案されている（例えば、特許文献１）。これにおいては、機械的共振子はコイルの内側の空間に配置されており、ダイナモ原理を使用して機械エネルギーが電気エネルギーに再変換される。機械的共振子を使用することによって、水晶振動子やＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator：圧電薄膜共振子）に見られるように、極めて高いＱ値が実現されている。なお、Ｑ値とは共振の周波数特性のピークの鋭さを表す値である。Ｑ値が大きいほどエネルギーの消費が小さく、振動が長く続くので望ましいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１８０６６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】株式会社アールエフ、カプセル内視鏡ＮＯＲＩＫＡ（ノリカ）、[online]、［平成２６年１１月６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://rfsystemlab.com/sayaka/norika/system/001.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非接触電力伝送用の受電装置が小型化されると、受電効率を高めることが困難になる。非特許文献１に示されているような構成では、受電効率を高める方法は二つしかない。一つはコイルの受信開口を極力大きくすることであり、もう一つはコイルのＱ値を上げることであるが、いずれの方法を用いても限界があり目的は十分に達せられない。
【０００９】
大きなチップコイルを用いればコイルの受信開口を大きくできるものの、大きなチップコイルに到達する磁力線が遮蔽されないように、金属部品の配置や使用が制約される。金属部品についての制約を考慮すると、大きなチップコイルは使用できず、可能な限り小さなチップコイルを使用せざるを得ない。また、共振回路を構成するためのコンデンサは金属電極を含み、蓄電コンデンサは金属から成る集電体や外囲器等の金属部品を含んでいる。これら金属電極や金属部品の表面に磁力線が照射されると誘導電流が流れて、磁力線が打ち消されてしまう。これによって、磁力線がコイルに到達しなくなる。さらに、磁力が熱に変わるといった現象も生じて、受電効率は大幅に低下するおそれがある。非接触電力伝送用の受電装置のなかでも、特に、カプセル型内視鏡は人体内で動いて向きを変えることから、上述したような問題を回避できる金属部品配置を一意的に決めることは難しい。
【００１０】
一般的には、電気的に構成された共振回路（ＬＣ回路など）は抵抗損失が避けられないため、このような共振回路において高いＱ値を実現するのは困難であるとされている。
【００１１】
特許文献１の技術では、機械的共振子はコイル内に配置されることが必要であり、構造が制限されている。このようにコイル内に機械的共振子が配置された構造では、外部磁界との結合が不十分である。
【００１２】
そこで本発明は、高い受電効率が得られ、カプセルに搭載可能な受電装置、および受電装置搭載カプセル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】
【００１３】
本発明に係る受電装置は、非接触電力伝送する送電装置から電力を取得する受電装置であって、透磁率の高い材料で形成された本体と、前記本体内に設けられたキャパシタモジュールと、前記本体の側面に巻回して配置され、前記キャパシタモジュールと電気的に接続された受電コイルとを備え、前記キャパシタモジュールは、前記受電コイルとともに共振回路を構成する共振コンデンサおよび整流回路を含むモジュールと、電力を蓄える蓄電コンデンサとを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る受電装置搭載カプセルは、前述の受電装置をカプセル型筐体に搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、受電装置は、透磁率の高い材料で形成された本体を備え、この本体内にキャパシタモジュールが設けられている。これにより、キャパシタモジュールは磁気遮蔽されることになるので、そのキャパシタモジュールに金属部品が含まれていても、磁力線が金属部品の影響を受けることはない。金属部品に起因した誘導電流の発生が抑制されることによって、受電効率を高めることができる。同時に、磁力線は透磁率の高い材料に集まることから、受電コイル内を通る磁力線が増加して、受電効率を高めることができる。
【００１６】
一方、受電コイルは、内部にキャパシタモジュールが設けられた本体の側面に巻回して配置されているので、受電コイルの開口径は、本体に含まれるコアの直径に相当する程度の大きさである。
【００１７】
コアの直径を選択することによって、受電コイルの開口径を、受電装置が搭載されるカプセル径に容易に合せることができる。しかも、受電コイル以外の部品はキャパシタモジュールとして本体内に設けられているので、受電装置の小型化を図ることが可能となり、カプセル搭載用として用いることができる。
【００１８】
上述したとおり、受電コイルは本体の側面に巻回して配置され、受電コイル以外の部品は本体の内部に設けられていることから、受電コイルに到達する磁力線を遮蔽する部品は存在しない。こうした受電装置が搭載されたカプセルは、人体内で動いて磁力線に対する向きを変えた場合でも、高い効率で受電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態に係る受電装置を用いた非接触電力伝送システムの電気的な概略構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る受電装置を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る受電装置搭載カプセルの斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る受電装置の側面図である。
【図５】第１の実施形態に係る受電装置の分解斜視図である。
【図６】キャパシタモジュールのモジュール側からみた図である。
【図７】キャパシタモジュールの蓄電コンデンサ側からみた図である。
【図８】作製過程にあるキャパシタモジュールの分解斜視図である。
【図９】第１の実施形態の受電装置の製造方法の一工程を説明する図である。
【図１０】図９に続く工程を説明する図である。
【図１１】第２の実施形態に係る受電装置の分解斜視図である。
【図１２】機械的共振子と受電コイルとを含む等価回路を説明する図である。
【図１３】機械的共振子と受電コイルとを含む電気的等価回路を説明する図であり、図１３Ａは、電気変換部を含む機械的共振子の等価回路を表し、図１３Ｂは、共振時の等価回路を表す。
【図１４】負荷を含む等価回路を説明する図である。
【図１５】整合回路を付けたときの等価回路を説明する図である。
【図１６】第２の実施形態に係る受電装置における上蓋の変形例（１）を示す斜視図である。
【図１７】図１６に示した上蓋のＣ−Ｃ’断面図である。
【図１８】第２の実施形態に係る受電装置における上蓋の変形例（２）を示す斜視図である。
【図１９】図１８に示した上蓋のＤ−Ｄ’断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１に示す非接触電力伝送システム８は、送電装置６と受電装置１０とを備え、送電装置６から受電装置１０へ非接触で電力を伝送する。図１において、送電装置６は、高周波電源２と送電コイル４とを含む。
【００２２】
受電装置１０は、受電コイル１２と、共振コンデンサ１４ａおよび整流回路１４ｂを含むチップ部品群１４と、蓄電コンデンサ１３ｂとを備えている。図示していないが、チップ部品群１４には、抵抗等が含まれることもある。共振コンデンサ１４ａと受電コイル１２とによって、共振回路（整合回路）を構成することができる。
【００２３】
受電装置１０における受電コイル１２は、送電装置６における送電コイル４と磁界結合することができ、磁界共鳴現象に基づいて送電コイル４から電力を取得する。磁界共鳴現象によって生じた高周波は、整流回路１４ｂにより直流に変換されて電力として利用される。電力は、蓄電コンデンサ１３ｂに蓄えられて負荷２０に供給される。
【００２４】
共振コンデンサ１４ａおよび蓄電コンデンサ１３ｂといったコンデンサは、金属製の外囲器を備えている。また、こうしたコンデンサに含まれる集電体は金属製である。外囲器や集電体のような金属部品が磁界に存在すると、誘導電流が発生して磁力線が打ち消され、それによって受電装置１０の受電効率が低下してしまう。
【００２５】
第１の実施形態の受電装置１０は、コンデンサの金属部分に起因した誘導電流の影響を低減するとともに、受電コイルの開口径を大きくすることによって、受電効率の向上を図るものである。
【００２６】
１．構成
図２に示すように、受電装置１０は本体２０を備えている。この本体２０の内部には、キャパシタモジュール１３が設けられ、キャパシタモジュール１３と電気的に接続された受電コイル１２が、本体２０の側面に巻回されている。
【００２７】
本体２０は、所定の厚さを有する円板状のコア１１と、コア１１の下面および上面に配置された下蓋１７および上蓋１８とから構成される。受電コイル１２は、具体的には、円板状のコア１１の側面に巻回されている。追って説明するように、キャパシタモジュール１３は、コア１１に設けられた収容部に収容される。このため、コア１１は、少なくともキャパシタモジュール１３を収容できる直径および厚さを有している。第１の実施形態の受電装置１０は、カプセルに搭載可能であることが求められるので、これを考慮してコア１１の直径および厚さが設定される。
【００２８】
下蓋１７および上蓋１８は、コア１１の下面および上面を覆うことができる大きさの薄い円板状に形成されている。上蓋１８の所定の領域には、外部へ電源を供給する端子１９が設けられている。
【００２９】
コア１１、下蓋１７および上蓋１８は、透磁率の高い材料で形成されており、例えば高透磁率セラミックス製とすることができる。高透磁率セラミックスとしては、例えば、ソフトフェライトであるＭｎ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｍｇ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、およびＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系などが挙げられる。使用される周波数によって求められる性能が異なるので、高透磁率セラミックスは目的の周波数に適合するように適宜選択して用いる。例えば、１００ｋＨｚの周波数で用いる場合には、損失が小さい点でＭｎ−Ｚｎ系ソフトフェライトが有効である。
【００３０】
下蓋１７および上蓋１８は、高透磁率セラミックスの他に、磁性粉を含有したエポキシ樹脂（以下、磁性樹脂と称する）により構成してもよい。
【００３１】
コア１１の側面に巻回される受電コイル１２は、Ｃｕ、Ａｇ、またはＷなどの抵抗率の低い金属材料から構成されることが好ましく、例えばＣｕ線に樹脂被覆したリッツ線を導電線として用いることができる。外部へ電源を供給する端子１９には、例えばＣｕなどが用いられる。
【００３２】
第１の実施形態の受電装置１０は、図３に示すように、カプセル型筐体１１０に搭載して受電装置搭載カプセル１００として用いることができる。受電装置搭載カプセル１００は、例えばカプセル型内視鏡に応用される。一般的には、カプセル型筐体１１０は樹脂製であって、外径Φは約１１ｍｍ程度、長さＬは約２５ｍｍ程度である。この場合、カプセル型筐体１１０の内径は９ｍｍ程度である。
【００３３】
こうした寸法のカプセル型筐体１１０に搭載するためには、第１の実施形態の受電装置１０の寸法が制限される。図４の側面図に示すように、第１の実施形態の受電装置１０においては、下蓋１７および上蓋１８の直径ｄLidを、コア１１の直径ｄCoreより若干大きくすることができる。この場合、コア１１の直径ｄCoreは６〜９ｍｍ程度であることが好ましく、下蓋１７および上蓋１８の直径ｄLidは７〜９ｍｍ程度とすることができる。こうすることで、カプセルに収納することができる。受電装置１０の厚さｔは、２〜４ｍｍ程度とすることができる。
【００３４】
下蓋１７および上蓋１８は、小型化の観点からは強度を確保できる範囲で薄い方が好ましい。しかし、磁力線を集める効果を高めるには、下蓋１７および上蓋１８は厚いほうがよい。例えば、下蓋１７および上蓋１８の厚さｔL、ｔUは、０．２〜２ｍｍ程度とすることができる。
【００３５】
図５に示すように、キャパシタモジュール１３は、蓄電コンデンサ１３ｂと、この蓄電コンデンサ１３ｂの上に配置されたモジュール１３ａとを含み、コア１１に設けられた収容部２１内に収容される。収容部２１は、キャパシタモジュール１３に適合した形状および大きさである。図５においては、収容部２１はコア１１の下面まで貫通したスルーホールとして形成されているが、これに限定されるものではない。
【００３６】
コア１１の上面の所定の領域には、配線２２が設けられている。この配線２２を介して、収容部２１内に収容されたキャパシタモジュール１３と、コア１１の側面に巻回して配置された受電コイル１２とを電気的に接続することができる。
【００３７】
ここで、キャパシタモジュール１３をモジュール１３ａ側からみた状態を図６に示す。モジュール１３ａにおいては、セラミックス製の筐体１６内にチップ部品群１４が設けられている。筐体１６を構成するセラミックスとしては、例えばアルミナが用いられる。図示していないが、チップ部品群１４は、共振回路（整合回路）、整流回路、および保護回路などを含む。共振回路は、例えば共振コンデンサおよびインダクタを含み、整流回路は、例えばショットキーダイオードを含むが、これに限定されない。任意の回路部品を用いて、モジュール１３ａを構成することができる。モジュール１３ａの寸法は、コア１１の寸法に応じて適宜決定することができる。コア１１の直径が９ｍｍ程度の場合には、モジュール１３ａの寸法は、５．８ｍｍ×５．８ｍｍ×１．６ｍｍとすることができる。
【００３８】
図７には、キャパシタモジュール１３を蓄電コンデンサ１３ｂ側からみた状態を示す。キャパシタモジュール１３の蓄電コンデンサ１３ｂ側においては、コバールＬＩＤ２３が、シーム溶接用シールリング２４に取り付けられている。蓄電コンデンサ１３ｂとしては、蓄電容量の大きな電気二重層コンデンサやＬｉイオン二次電池が好ましい。極短時間で充電が可能な電気二重層コンデンサは、第１の実施形態の受電装置１０における蓄電コンデンサ１３ｂとして、より好適に用いられる。
【００３９】
２．製造方法
第１の実施形態に係る受電装置１０は、収容部２１を有するコア１１の下面に下蓋１７を配置して、側面には受電コイル１２を巻回し、収容部２１内にキャパシタモジュール１３を収容した後、コア１１の上面に上蓋１８を配置することによって製造することができる。以下、詳細に説明する。
【００４０】
＜コア、下蓋、上蓋の作製＞ 
コア１１は、所定の原料粉末を用いて、常法により焼結して作製することができる。コア１１の作製にあたっては、適切な形状の型を用いて、キャパシタモジュール１３を収容するための収容部２１を形成する。収容部２１内でキャパシタモジュール１３が動かず固定されるように、キャパシタモジュール１３の外形や寸法に合わせて収容部２１の形状や寸法を設計しても良い。キャパシタモジュール１３は、樹脂などで収容部２１に固定しても良い。
【００４１】
下蓋１７および上蓋１８は、コア１１と同様の原料粉末、または所定の磁性樹脂を用いて常法により作製することができる。上蓋１８の所定の領域には、金属蒸着、電解めっき、または金属粒子ペーストの焼成印刷等を用いて、外部へ電源を供給する端子１９を形成する。
【００４２】
＜下蓋の接合＞
下蓋１７は、樹脂を用いてコア１１の下面に接着して固定することができるが、好ましくは磁性樹脂を使用するのが良い。
【００４３】
＜受電コイルの形成＞
受電コイル１２は、所定の導電線をコア１１の側面に巻いて形成することができる。受電コイル１２の巻き数、線幅などは適宜決定することができる。２００℃を超える耐熱樹脂被覆導線を用いる場合には、樹脂被膜を厚くする方が安全であり、樹脂被膜を含めた直径は１００μｍ程度が一般的である。
【００４４】
側面に受電コイル１２が巻回されたコア１１の上面には、受電コイル１２の端部の所定の領域から収容部２１の所定の領域に達するように、キャパシタモジュール１３と接続するための配線２２を形成する。配線２２は、例えば、ディスペンサーを使用した焼結型金属ペーストによる電極印刷、電解めっき、または金属蒸着などにより形成することができる。
【００４５】
＜キャパシタモジュールの作製＞
キャパシタモジュール１３は、モジュール１３ａと所定の蓄電コンデンサ１３ｂとを組み合わせて作製することができる。蓄電コンデンサ１３ｂとモジュール１３ａとを電気的に接続するには、例えば図８に示すように、モジュール１３ａを構成するセラミックス製の筐体１６の外縁に沿って表面に設けられた電極配線２５を用いることができる。あるいは、セラミックス製の筐体１６の側面に金属被膜を形成し、これをエッチングする、いわゆるメタライズ配線を用いてもよい。
【００４６】
モジュール１３ａ側には、共振コンデンサ等を含むチップ部品群１４を配置して、キャパシタモジュール１３が得られる。
【００４７】
＜キャパシタモジュールの収容＞
図９に示すように、側面に受電コイル１２が巻回され、下面に下蓋１７が配置されたコア１１の収容部２１内に、キャパシタモジュール１３を収容する。キャパシタモジュール１３の電極（図示せず）は、コア１１上面の配線２２と位置合わせして配置される。キャパシタモジュール１３は、磁性樹脂を使用して収容部２１内に固定することができる。磁性樹脂は、収容部２１内に生じた隙間の充填にも用いることができる。
【００４８】
＜上蓋の接合＞
収容部２１内にキャパシタモジュール１３が収容されたコア１１の上面には、上蓋１８が接合される。上蓋１８における端子１９は、図１０に示すようにコア１１上面の配線２２と位置合わせして配置される。上蓋１８は、磁性樹脂を用いてコア１１の上面に固定することができる。電気的な接続が求められる箇所には、エポキシ樹脂と同程度の耐熱温度を有するＡｇナノペーストを使用することが好ましい。
【００４９】
以上のようにして、コア１１と下蓋１７と上蓋１８とから構成される本体２０の内部にキャパシタモジュール１３が設けられ、本体２０の側面に受電コイル１２が巻回して配置された第１の実施形態の受電装置１０が得られる。
【００５０】
第１の実施形態の受電装置１０は、カプセル型筐体１１０に搭載して、例えばシリコン樹脂により固定し、受電装置搭載カプセル１００を得ることができる。カプセル型筐体１１０内には、ＣＣＤカメラ、白色ＬＥＤ等の適切な部品を配置して、人体埋め込みカプセルやカプセル型内視鏡等に適用することができる。
【００５１】
３．作用および効果
第１の実施形態の受電装置１０においては、透磁率の高い材料で形成された本体２０の内部に、共振コンデンサを含むモジュール１３ａと蓄電コンデンサ１３ｂとからなるキャパシタモジュール１３が設けられている。透磁率の高い材料で形成された本体２０内に設けられていることによって、第１の実施形態の受電装置１０においては、キャパシタモジュール１３は磁気遮蔽されている。
【００５２】
こうした受電装置１０に送電装置６から電力が伝送される際には、磁力線は、透磁率の高い材料で形成された本体２０、すなわち上蓋１８、コア１１、および下蓋１７を経由するように形成される。言い換えると、第１の実施形態の受電装置１０においては、磁力線の経路は、本体２０内部に設けられたキャパシタモジュール１３を避けて形成される。キャパシタモジュール１３に含まれる蓄電コンデンサ１３ｂ等のコンデンサが外囲器や集電体といった金属部品を備えていたところで、こうした金属部品には磁力線が到達しない。したがって、金属部品に起因した誘導電流（電圧）の発生は、避けることができる。その結果、第１の実施形態の受電装置１０においては、誘導電流により磁力線が打ち消されるおそれは低減されて、受電効率が高められる。同時に、磁力線は透磁率の高い材料に集まるので、受電コイル２１内を通る磁力線が増加する。これによっても、受電効率を高めることができる。
【００５３】
一方、第１の実施形態の受電装置１０における受電コイル１２は、本体２０の側面、具体的にはコア１１の側面に巻回されているので、受電コイル１２の開口径は、コア１１の外径に相当する大きさとすることができる。図３に示したように、第１の実施形態の受電装置１０がカプセル搭載用として用いられる場合には、カプセル型筐体１１０の内部空間を最大限に活用して、カプセル型筐体１１０の内径に近い開口径で受電コイル１２を形成することができる。
【００５４】
上述したとおり、第１の実施形態の受電装置１０においては、金属部品を含むコンデンサが、キャパシタモジュール１３として本体２０内部に設けられており、受電コイル１２は本体２０の側面に巻回されている。したがって、受電コイル１２に到達する磁力線を遮蔽する部品は何ら存在しない。こうした受電装置１０を搭載したカプセルが人体内で動いて磁力線に対する向きを変えた場合でも、磁力線は受電コイル１２に確実に到達して受電が行われる。
【００５５】
しかも、受電コイル１２以外の部品（共振コンデンサ等）は一体化したキャパシタモジュール１３として本体２０内に設けられているので、受電装置１０の大きさは、実質的には本体２０を構成するコア１１の大きさによって決定される。小さなコア１１を用いることによって受電装置１０の小型化を図ることも可能となり、第１の実施形態に係る受電装置１０は、カプセル搭載用として好適に用いられる。
【００５６】
［第２の実施形態］
１．構成
図１１には、第２の実施形態の受電装置３０の分解斜視図を示す。図１１に示す受電装置３０は、上蓋１８を機械的共振子として作用する上蓋２７に変更した以外は、第１の実施形態の受電装置１０と同様の構成である。
【００５７】
機械的共振子として作用する上蓋２７は、振動板３２と、振動板３２の所定の領域に載置された永久磁石３１とを備えている。振動板３２は、コア１１と同様の高透磁率セラミックス製とすることができ、中央領域の振動部３２ｂと周辺領域の支持部３２ａとを含む。支持部３２ａと振動部３２ｂとの間には空隙部３３が存在し、振動部３２ｂは、外周の所定の領域に設けられたヒンジ３２ｃによって支持部３２ａに接合されている。こうした振動部３２ｂの上には、永久磁石３１が載置される。
【００５８】
永久磁石３１は、コア１１の側面に巻回された受電コイル１２と磁界結合することができる。永久磁石３１としては、電気抵抗率が１０×１０2Ω・ｃｍ以上と高い永久磁石が好ましい。具体的には、永久磁石３１としては、バリウムフェライト磁石、ストロンチウムフェライト磁石、およびボンド磁石などから選択することができる。
【００５９】
第１の実施形態において説明したように、コア１１内にキャパシタモジュール１３が収容され、このキャパシタモジュール１３には、整合回路等を含むモジュールが含まれている。
【００６０】
ここで、等価回路を参照しながら、機械的共振子を用いたときの整合回路について説明する。図１２には、機械的共振子とコイルとを含む等価回路を示す。図１２の左側は、電気変換部を含む機械的共振子の等価回路を表している。電気変換部とは、具体的にはＲＬＣ回路を指す。図示する等価回路は、次の条件を備えた構成である。
【００６１】
・質量ｍ０の振動板がコンプライアンスｃ０のばねで支えられている
・インダクタンスＬ０のコイルには電流Ｉが流れて、磁界が発生する
・発生した磁界を受けて、振動板上の永久磁石が力ｋＩ（ｋは結合係数である）を受ける
・永久磁石が載置された振動板は、速度ｖで振動する
・これにより誘導電圧ｋｖが発生する
【００６２】
なお、図中のｇ０は機械抵抗（抵抗力／速度）を表している。上記において、ｖ、Ｉはフェイザー表示の値を表している。
【００６３】
また、以下に現れるＶ、ｆ、Ｖｅ、Ｂ０、Ｖ０、Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２もフェイザー表示の値を表している。
【００６４】
図１２の構成を図１１の構成と対応させると、質量ｍ０の振動板は振動部３２ｂと永久磁石３１とを合わせた質量に相当し、コンプライアンスｃ０のばねはヒンジ３２ｃに相当する。コイルおよび永久磁石は、それぞれ受電コイル１２および永久磁石３１に相当する。また、機械抵抗ｇ０は、図１１におけるヒンジ３２ｃの機械抵抗と、振動部３２ｂ、永久磁石３１の空気抵抗との和に相当する。
【００６５】
ここで、外部磁界が振動する各周波数をωとし、虚数単位をｊとする。
【００６６】
図１２の左側の等価回路においては、永久磁石に加わる力ｆは以下のとおり記載できる。
【数１】
2016127700.tif 000003
【００６７】
したがって、振動板の速度ｖは下記式のとおりとなる。
【数２】
2016127700.tif 000004
【００６８】
外部磁界が時間的に変化することによって、コイルには電圧Ｖｅが発生する。外部磁束密度Ｂ０、コイルの面積Ｓ、巻き数Ｎを用いると、コイルに発生する電圧Ｖｅは下記式で表される。
【数３】
2016127700.tif 000005
【００６９】
また、このコイルには、永久磁石の動く速度ｖに応じて電圧ｋｖ（ｋは結合係数である）も発生する。この電圧ｋｖも考慮すると、コイルに現れる起電力Ｖ０は、下記のとおり記載できる。
【数４】
2016127700.tif 000006
【００７０】
ここで、等価電流源Ｉ０、等価キャパシタンスＣｋ，等価インダクタンスＬｋ，および等価抵抗Ｒｋを以下のように定義する。
【数５】
2016127700.tif 000007
【００７１】
このとき、図１２において端子Ａ−Ａ’から左側を見込んだ時の等価回路は、図１３Ａとなる。この図１３Ａは、電気変換部を含む機械的共振子の等価回路４０を表し、図１３Ｂは、後述するように共振時の等価回路４１を表している。こうした図１３は、機械的共振子とコイルとを含む電気的な等価回路である。
【００７２】
図１３Ａは、共振時に以下に説明するように等価電源の定理を用いて、図１３Ｂに変換することができる。先ず、負荷短絡時電流Ｉ１および等価アドミッタンスＹinは、それぞれ以下のとおり記載できる。
【数６】
2016127700.tif 000008
【００７３】
共振時には、下記式の関係が成立する。
【数７】
2016127700.tif 000009
【００７４】
したがって、共振時における負荷短絡時電流Ｉ１および等価アドミッタンスＹinは、それぞれ以下のとおりに記載できる。
【数８】
2016127700.tif 000010
【００７５】
こうした負荷短絡時電流Ｉ１および等価アドミッタンスＹinを有する等価回路は、図１３Ｂのとおりとなる。
【００７６】
ここで、図１４に示すような負荷を含む外部電気回路を設けたときについて考える。図１４に示すように、共振時における機械的共振子の等価回路４３と、外部電気回路４４とが含まれている。図１４においてＡ−Ａ’から右をみた負荷アドミッタンスＹLは、以下を満たすときに整合がとれる。
【数９】
2016127700.tif 000011
【００７７】
すなわち、Ｒｋが（ωＬ０）２／Ｒｋに変換される。
【００７８】
ここで、機械的共振子のＱ値はωｍ０／ｇ０であり、電気回路に変換したときのＱ値は、以下のとおりに記載できる。
【数１０】
2016127700.tif 000012
【００７９】
したがって、次の関係が満たされれば、電気回路に変換したときのＱ値は小さくなっており、Ｑ値が低い素子で電気回路を構成しても損失を低く抑えられる。
【数１１】
2016127700.tif 000013
【００８０】
ここで、ωＬ0を下記の値とすれば、ＣＬの１素子で整合をとることができる。
【数１２】
2016127700.tif 000014
【００８１】
機械−電気変換機構上の制約によって、コイルのインダクタンスＬ０の値を自由に設定するのが困難な場合には、外部電気回路をさらに追加して、インピーダンス整合させればよい。
【００８２】
図１５には、サセプタンスｂ１、ｂ２、リアクタンスｘ１を用いてインピーダンス整合させる例を示す。図１５には、機械的振動の電気変換後の共振時等価回路４６と、整合回路４７とが含まれている。
【００８３】
図１３についての計算の場合と同様、図１５におけるＢ−Ｂ’から左側を見込んだときの負荷短絡時電流Ｉ２およびアドミッタンスＹｉｎ２は、それぞれ以下のとおり記載できる。
【数１３】
2016127700.tif 000015
【００８４】
この場合も、共振しているときには、下記式の関係が成立する。
【数１４】
2016127700.tif 000016
【００８５】
したがって、共振時における負荷短絡時電流Ｉ２および等価アドミッタンスＹin２は、それぞれ以下のとおり記載できる。
【数１５】
2016127700.tif 000017
【００８６】
図１５における負荷抵抗ＲＬおよびサセプタンスｂ２は、次の関係を満たせば整合できる。
【数１６】
2016127700.tif 000018
【００８７】
サセプタンスｂ１、ｂ２、リアクタンスｘ１は電気回路素子なので、Ｑ値が低下しない範囲で比較的自由に値を選ぶことができる。
【００８８】
リアクタンスｘ１をインピーダンスωＬ０に比べて小さくすることにより、１／Ｒｋ、ωＬ０が小さい場合でも、低い負荷抵抗への整合が可能となる。
【００８９】
図１５においては、等価回路４６に整合回路４７中のｂ１、ｘ１までを合わせた部分は、図１３Ａと同じ形態になっている。図１３の場合と同様の手順で共振の条件を求めることによって、複数段の整合回路を構成することが可能であり、回路素子の選択自由度が増すことになる。
【００９０】
電気回路におけるサセプタンスｂ１、ｂ２、リアクタンスｘ１などは、説明のための例示に過ぎず、コンデンサの代わりにインダクタを使うこともできる。これとは逆に、インダクタの代わりにコンデンサを用いてもよい。さらに、リアクタンスｘ１などに他の機械的共振子を使うこともできる。いずれの場合でも、上述と同様にして共振の条件を求めて整合回路を適宜設定することができる。
【００９１】
以上の説明においては、機械的共振子を用いた例として、外部磁場の振動により受電コイル１２に誘導電流が発生し、生じた誘導電流によって永久磁石３１が振動し、さらにこの振動によって受電コイル１３に誘導電流が発生する場合（パターン１）について説明した。機械的共振子が用いられた際には、外部磁場の振動を直接受けて永久磁石３１が振動し、この永久磁石３１の振動によって受電コイル１２に誘導電流が発生する場合（パターン２）もある。このような（パターン２）は、前述の（パターン１）と同時に起こり得る。パターン２の場合についても、上述と同様にして共振の条件を求めて、最適な整合回路を設定すればよい。
【００９２】
２．製造方法
第２の実施形態に係る受電装置３０には、機械的共振子として作用する上蓋２７が用いられる。
【００９３】
上蓋２７における振動板３２は、所定の原料粉末を用いて常法により焼結して作製することができる。適切な形状の型を用いて、ヒンジ３２ｃにより支持部３２ａと振動部３２ｂとが接続されるように形成する。振動部３２ｂの大きさは、永久磁石３１の大きさに応じて適宜設定すればよい。永久磁石３１の振動を妨害しないように、振動部３２ｂおよびヒンジ３２ｃは、強度を維持できる範囲で可能な限り薄いことが望まれる。永久磁石３１の振動を妨害しないように振動部３２ｂが上下に自由に振れることができる範囲内であれば、空隙部３３の面積は小さいほうが好ましい。
【００９４】
振動板３２は、全体が高透磁率セラミックス製である必要はない。抵抗が高い基板の表面に高透磁率セラミックスの薄膜を形成することによって、振動板３２を構成してもよい。抵抗が高い基板としては、例えば、高抵抗Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、およびサファイア基板等の半導体結晶が挙げられる。こうした基板の上には、窒化ケイ素、酸化ケイ素等の薄膜が形成されていてもよい。特に、Ｓｉ基板は微細加工性が高く、メンブレン、ヒンジなどから構成されるＭＥＭＳ共振子が製作されている。基板上に高透磁率セラミックスの薄膜を形成して振動板３２とする場合も、永久磁石３１の振動を妨害しないように、基板は、強度を維持できる範囲で可能な限り薄いことが望まれる。高透磁率セラミックスの薄膜は、例えばスパッタリングにより基板の表面に形成することができる。
【００９５】
振動板３２の振動部３２ａには、エポキシ接着剤等を用いて永久磁石３１を固定することができる。
【００９６】
ヒンジ３２ｃで接続された振動部３２ｂと支持部３２ａとの間の空隙部３３は、磁性樹脂を配置して埋めることができる。磁性樹脂としては、すでに説明したものを用いることができる。磁性樹脂を配置する際には、振動部３２ｂの振動を妨げないように留意することが望まれる。
【００９７】
このようにして作製された機械的共振子として作用する上蓋２７を用いる以外は、基本的には第１の実施形態と同様にして、第２の実施形態の受電装置３０を製造することができる。
【００９８】
３．作用および効果
第２の実施形態の受電装置３０においては、透磁率の高い材料で形成された本体２０の内部に、共振コンデンサを含むモジュール１３ａと蓄電コンデンサ１３ｂとからなるキャパシタモジュール１３が設けられ、受電コイル１２は、本体２０の側面、具体的にはコア１１の側面に巻回されている。
【００９９】
第１の実施形態の受電装置１０の場合と同様、第２の実施形態の受電装置３０においても、磁力線の経路はキャパシタモジュール１３を避けて形成されるので、誘導電流により磁力線が打ち消されるおそれは低減されて受電効率が高められる。第２の実施形態の受電装置３０は、受電コイル１２の開口径が大きい点、受電コイル１２への磁力線が遮られない点、小型化を図れるといった点も、第１の実施形態の受電装置１０の場合と同様であり、同様の効果が得られる。
【０１００】
しかも、第２の実施形態の受電装置３０は、機械的共振子として作用する上蓋２７を備えている。この上蓋２７においては、振動板３２の振動部３２ａの上に永久磁石３１が載置されている。第２の実施形態の受電装置３０が外部磁界を受けた場合には、コア１１の側面に巻回して配置された受電コイル１２に誘導電流が発生し、この誘導電流によって永久磁石３１の周囲に磁界が形成される。こうして生じた磁界を受けて、振動部３２ａ上の永久磁石３１が振動し、それによって受電コイル１２に電流をさらに誘導することになる。
【０１０１】
第２の実施形態の受電装置３０においては、永久磁石３１が磁界を受けて振動し、これによって受電コイル１２に誘導電流が発生する。永久磁石３１に作用する磁界は、外部磁界を受けて受電コイル１２に発生した誘導電流によって形成されたものである。このように、振動板３２と永久磁石３１とを含む機械的共振子として作用する上蓋２７を用いることによってＱ値が増大し、受電効率がよりいっそう高められる。
【０１０２】
［変形例］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【０１０３】
第１の実施形態においては、コアは円板状としたが、コアの形状は円板状に限定されない。収容部を形成して内部にキャパシタモジュールを収容でき、側面に受電コイルを巻回できれば、コアは円板状以外の形状としてもよい。カプセル型筐体に搭載できる寸法であれば、任意の形状のコアを用いることができる。
【０１０４】
受電コイルは、導電線をコアの側面に巻いて形成したが、焼結性金属ペーストをコアの側面に印刷し、焼成することにより形成してもよい。例えば、回転する円筒形コアの側面にディスペンサーから金属ペーストを吐出しつつ、そのディスペンサーを一定速度で動かすことによって、コイル印刷が可能である。この場合も、受電コイルの巻き数、線幅などは、適宜決定することができる。但し、ショートしないように、線間に所定の距離をもった一筆書きとして印刷されるため、インダクタンス値の設計に制約が生じる。一方で、絶縁樹脂被覆導線は、手動巻線機や自動巻線機を使用して密に巻いたり、重ねて巻くことができる点では有利である。なお、Ｗペーストを用いる場合には、抵抗率を下げるために焼成後にＡｇやＡｕのメッキ被膜を形成するのが好ましい。
【０１０５】
また、上蓋および下蓋としては、コアより大きな直径のものを用いたが、コアの直径と同じ大きさとしてもよい。コアの形状が円板状以外の場合においても同様であり、こうした点は、第２の実施形態にも適用される。
【０１０６】
さらに、第２の実施形態においては、機械的共振子として作用する上蓋２７を、以下のように変更することができる。例えば図１６に示す上蓋３５のように、永久磁石３１が載置される振動板３６に変更してもよい。図示する振動板３６においては、振動部３６ｂの対向する二辺が支持部３６ａに直接接続されている。図１６におけるＣ−Ｃ’断面図を図１７に示す。永久磁石３１が載置された振動部３６ｂは、支持部３６ａより厚みが小さく、振動部３６ｂの特定の二辺が支持部３６ａに直接接続されている。このため、振動部３６ｂの反りを利用して、永久磁石３１が上下に振れる。永久磁石３１が大きく振れて振動部３６ｂが大きく振動した場合でも、上蓋３５全体に及ぼす影響は低減される。
【０１０７】
また、図１８に示される上蓋３７のように、永久磁石３１が載置される振動部３２ｂの対向する二辺を他の二辺より長く形成し、短辺に沿った振動部３２ｂの所定の領域にバランサー（錘）３８を配置してもよい。こうした振動部３２ｂは、ヒンジ３２ｃによって長辺で支持部３２ａに接続される。図１８における振動部３２ｂのＤ−Ｄ’断面図を図１９に示す。バランサー（錘）３８が振動部３２ｂ上に設けられていることによって、ヒンジ３２ｃは捩れ力を受け、永久磁石３１の振動が上蓋３７全体に伝わりにくくなる。さらに、上蓋３７が配置されるコアにも、永久磁石３１の振動が伝わりにくくなることからＱ値が高められる。
【０１０８】
上蓋の振動を低減することによって、受電装置全体としての振動も低減することができる。このような受電装置がカプセル型筐体に搭載された受電装置搭載カプセルは、振動が抑制されるので、カプセル型内視鏡などに適用する際には、安定した画像が得られるという利点も得られる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０，３０  受電装置
１１      コア
１２      受電コイル
１３      キャパシタモジュール
１３ａ    モジュール
１３ｂ    蓄電コンデンサ
１７      下蓋
１８，２７  上蓋
１９      端子
２０      本体
１００    受電装置搭載カプセル
１１０    カプセル型筐体
【図１】
2016127700.tif 000019
【図２】
2016127700.tif 000020
【図３】
2016127700.tif 000021
【図４】
2016127700.tif 000022
【図５】
2016127700.tif 000023
【図６】
2016127700.tif 000024
【図７】
2016127700.tif 000025
【図８】
2016127700.tif 000026
【図９】
2016127700.tif 000027
【図１０】
2016127700.tif 000028
【図１１】
2016127700.tif 000029
【図１２】
2016127700.tif 000030
【図１３】
2016127700.tif 000031
【図１４】
2016127700.tif 000032
【図１５】
2016127700.tif 000033
【図１６】
2016127700.tif 000034
【図１７】
2016127700.tif 000035
【図１８】
2016127700.tif 000036
【図１９】
2016127700.tif 000037