(57)【要約】  電力およびデータを無線で伝送するシステムにおける通信品質を向上させる。伝送モジュールは、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、磁界結合による送電または受電を行うコイルと、電界結合による送信または受信を行う通信電極と、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドと、を備える。
2019189138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
磁界結合による送電または受電を行うコイルと、
電界結合による送信または受信を行う通信電極と、
前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、
前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドと、
を備える伝送モジュール。
【請求項２】
前記第１の導電シールドと前記第２の導電シールドとを連結する導電性の連結部をさらに備え、
前記第１の導電シールド、前記第２の導電シールド、および前記連結部を、前記コイルの軸を含む面で切断した場合の断面は、Ｕ字形状を有する、
請求項１に記載の伝送モジュール。
【請求項３】
前記通信電極および前記コイルは、同一の平面上に位置する、
請求項１または２に記載の伝送モジュール。
【請求項４】
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１から３のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項５】
前記通信電極は、前記コイルの外側に位置する、請求項４に記載の伝送モジュール。
【請求項６】
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であり、
前記コイルおよび前記通信電極の各々は、前記第１の方向に延びた形状を有する、
請求項１から３のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項７】
前記コイルおよび前記通信電極の各々は、矩形状または楕円形状を有する、請求項６に記載の伝送モジュール。
【請求項８】
前記通信電極は、差動伝送ラインとして機能する２つの電極を含む、請求項１から６のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項９】
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、
前記通信電極は、第１電極と、前記第１電極よりも前記軸から遠い第２電極とを含む、
請求項８に記載の伝送モジュール。
【請求項１０】
前記コイルの周囲に位置する磁性コアをさらに備え、
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する、
請求項１から７のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１１】
前記第１の導電シールドと前記第２の導電シールドとの間は、磁性体を含まない空間である、請求項１０に記載の伝送モジュール。
【請求項１２】
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、請求項１から１１のいずれか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１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１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１から１３のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１６】
前記通信電極に接続された通信回路をさらに備える、請求項１から１５のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１７】
前記コイルと前記通信電極は、前記第１および第２の導電シールドを挟んで対向する、請求項１から１６のいずれかに記載の伝送モジュール。
【請求項１８】
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１から１７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、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、電気的な結合によるデータ伝送を行う。２つのコイルと２つの導電体との間には、導電性材料からなる遮蔽用の配置物が配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７４１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、２つの物体の間で電力およびデータを無線で伝送するシステムにおける通信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】
【０００５】
本開示の一態様に係る伝送モジュールは、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、磁界結合による送電または受電を行うコイルと、電界結合による送信または受信を行う通信電極と、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドとを備える。【０００６】
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】
【０００７】
本開示の実施形態によれば、送電モジュールと受電モジュールとの間で電力およびデータを無線で伝送するシステムにおける通信品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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９】図９は、実施形態における無線電力データ伝送装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図９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１１】図１１は、図９に示す無線電力データ伝送装置の一部を拡大して示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態の解析結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施形態の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、実施形態の他の変形例を示す図である。
【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】
【０００９】
（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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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本数を削減することを検討した。
【００１４】
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構成例を示す図である。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ような場合、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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。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。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。
【００２０】
送電モジュール１００は、送電コイル１１０と、通信電極１２０と、磁性コア１３０と、通信回路を有する通信回路基板１４０と、これらを収容する筐体１９０とを備える。通信電極１２０は、第１電極１２０ａと、第１電極１２０ａよりも軸Ａから遠い第２電極１２０ｂとを含む。以下、２つの電極１２０ａ、１２０ｂをまとめて「通信電極１２０」と称することがある。
【００２１】
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形状）を有する。２つの電極１２０ａ、１２０ｂは、隙間を隔てて隣接している。通信電極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。
【００２２】
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２２０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、送電コイル２１０および受電コイル２１０の対と通信電極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。
【００２３】
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と対向する方向を向くように配置される。
【００２４】
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の各々の他端は、グラウンド（ＧＮＤ）に接続される。
【００２５】
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上には前述の通信回路が設けられる。なお、通信回路基板１４０は、通信電極１２０に対向する位置とは異なる位置に配置されていてもよい。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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つの電極２２０ａ、２２０ｂを含む通信電極２２０と、磁性コア２３０と、通信回路基板２４０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。本明細書において、２つの電極２２０ａ、２２０ｂをまとめて「通信電極２２０」と称することがある。
【００２９】
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。
【００３０】
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。受電側の通信電極２２０ａ、２２０ｂは、送電側の通信電極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。通信電極１２０ａ、１２０ｂおよび通信電極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対備えていてもよい。そのような構成では、送電側から受電側への送信と、受電側から送電側への送信とを同時に行う全二重通信が可能である。
【００３１】
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。
【００３２】
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周辺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。送電コイル１１０から生じる磁束の一部が通信電極１２０、２２０に侵入すると、通信電極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。
【００３３】
また、差動伝送ラインを用いた上記のようなシステムでは、コイルに近い側の電極と遠い側の電極とで、受ける影響の度合いが異なる。このため、差動電圧がアンバランスになり、動作に影響が生じ得ることがわかった。
【００３４】
以上の考察に基づき、本発明者らは、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。
【００３５】
本開示の一態様に係る伝送モジュールは、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、磁界結合による送電または受電を行うコイルと、電界結合による送信または受信を行う通信電極と、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドとを備える。
【００３６】
上記態様によれば、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドとが配置される。これにより、電力伝送時にコイルから生じる磁束による通信電極における信号電圧への影響を低減することができ、通信品質を向上することができる。
【００３７】
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。前記コイルと前記通信電極は、前記第１および第２の導電シールドを挟んで対向するように配置されていてもよい。
【００３８】
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、相対的に運動するように構成され得る。前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、例えば、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と、受電モジュールにおけるコイルおよび通信電極とが対向する状態を維持することができる。
【００３９】
ある態様では、前記通信電極は、前記コイルの外側に位置する。他の態様では、前記通信電極は、前記コイルの内側に位置する。前記通信電極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。
【００４０】
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。
【００４１】
前記通信電極は、差動伝送ラインとして機能する２つの電極を含み得る。２つの電極は、通信回路に接続される。通信回路は、２つの電極に、例えば逆位相かつ等振幅の信号を供給する。あるいは、通信回路は、２つの電極から送られた逆位相かつ等振幅の信号を受け、復号する。このような構成によれば、通信電極が単一の電極である場合と比較して、電磁ノイズの影響を抑制することができる。
【００４２】
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、無線電力伝送部の伝送効率を改善することができる。これは、上記構成により、無線電力伝送部の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からである。
【００４３】
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値の低下を更に抑制することができる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、前記伝送モジュールは、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。
【００４７】
前記伝送モジュールは、前記通信電極に接続された通信回路をさらに備えていてもよい。前記通信電極が差動伝送ラインを構成する２つの電極を含む場合、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。
【００４８】
本開示の他の態様に係る無線電力データ伝送装置は、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。
【００４９】
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、電力伝送が通信に及ぼす影響を低減することができる。
【００５０】
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２枚の導電シールドを備え、受電モジュールは１枚の導電シールドを備えていてもよい。こ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通信品質を改善することができる。
【００５１】
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。また、回転および直動機能を有さない形態の装置において機能接続を非接点化する目的の装置でも、前記無線電力データ伝送装置を適用することが可能である。
【００５２】
本明細書において「負荷」とは、電力によって動作するあらゆる機器を意味する。「負荷」には、例えばモータ、カメラ（撮像素子）、光源、二次電池、および電子回路（例えば電力変換回路またはマイクロコントローラ）などの機器が含まれ得る。負荷と、当該負荷を制御する回路とを含む装置を、「負荷装置」と称することがある。
【００５３】
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。
【００５４】
（実施形態）
本開示の例示的な実施形態における無線電力伝送データ伝送装置を説明する。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）にも用いられ得るが、本明細書では、主に産業用ロボットへの適用例を説明する。
【００５５】
図９は、本実施形態における無線電力データ伝送装置の構成を示す断面図である。図１０は、図９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。
【００５６】
無線電力データ伝送装置は、送電モジュール１００と、受電モジュール２００とを備える。送電モジュール１００は、２つの通信電極１２０ａ、１２０ｂと磁性コア１３０との間に、２枚の導電シールド１６０、１７０を備えている。受電モジュール２００も同様に、２つの通信電極２２０ａ、２２０ｂと磁性コア２３０との間に、２枚の導電シールド２６０、２７０を備えている。これらの導電シールド１６０、１７０、２６０、２７０以外の構成は、図６に示す構成と同様である。
【００５７】
図１０に示すように、導電シールド１６０、１７０は、軸Ａを中心とする円環形状を有する。受電モジュール２００における導電シールド２６０、２７０も同様に、軸Ａを中心とする円環形状を有する。導電シールド１６０、１７０の円環形状の半径は、磁性コア１３０の外周壁の半径よりも大きく、内側の電極１２０ａの半径よりも小さい。同様に、導電シールド２６０、２７０の円環形状の半径は、磁性コア２３０の外周壁の半径よりも大きく、内側の電極２２０ａの半径よりも小さい。導電シールド１６０、１７０、２６０、２７０の各々は、通信電極１２０、２２０の形状のように、スリットを有する形状、すなわち円弧形状を有していてもよい。
【００５８】
図１１は、図９に示す無線電力データ伝送装置の一部を拡大して示す図である。送電モジュール１００における内側の電極１２０ａ、導電シールド１６０、導電シールド１７０、および磁性コア１３０のそれぞれの間には間隙が存在する。導電シールド１６０と導電シールド１７０との間は、磁性体を含まない空間である。同様に、受電モジュール２００における内側の電極２２０ａ、導電シールド２６０、導電シールド２７０、および磁性コア２３０のそれぞれの間には間隙が存在する。導電シールド２６０と導電シールド２７０との間は、磁性体を含まない空間である。
【００５９】
このように、磁性コア１３０と通信電極１２０との間、および磁性コア２３０と通信電極２２０との間のそれぞれに、互いに離間した２つの導電部材が配置される。このような構成により、１つの導電部材のみが配置された構成と比較して、電力伝送中に送受信される信号に含まれるノイズを大きく低減できることがわかった。
【００６０】
本発明者らは、本実施形態およびいくつかの比較例の構成において電磁界解析を行い、本実施形態の効果を検証した。表１は、解析結果を示している。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
本電磁界解析では、送電コイル１１０に交流電力を供給したときの各通信電極１２０ａ、１２０ｂ、２２０ａ、２２０ｂへの通過特性と、送電コイル１１０および受電コイル２１０のＱ値を電磁界解析によって算出した。各部材の寸法は実際の構成と同様の値を用い、電気伝導率や材料損失などの各種のパラメータは実測値を用いた。表１におけるＳ３１、Ｓ４１、Ｓ５１、Ｓ６１は、それぞれ、送電コイル１１０への入力電力に対する通信電極１２０ａ、１２０ｂ、２２０ａ、２２０ｂへの通過電力の比率（Ｓパラメータ）を表している。
【００６３】
送電モジュール１００および受電モジュール２００において、導電シールドを全く配置しなかった場合、１枚の導電シールドのみを配置した場合、および２枚の導電シールドを配置した場合のそれぞれについて、Ｓ３１、Ｓ４１、Ｓ５１、Ｓ６１を算出した。ここで、１枚の導電シールドのみを配置した場合については、外側の導電シールド１６０、２６０（「シールド１」と称する。）のみを配置した場合と、内側の導電シールド１７０、２７０（「シールド２」と称する。）のみを配置した場合の２通りについて検証した。これらの例では、シールド１およびシールド２の材料として、アルミニウム（Ａｌ）を選択した。２枚の導電シールドを配置した場合については、シールド１、２をともにアルミニウムで構成した場合と、外側のシールド１をアルミニウムで、内側のシールド２を銅（Ｃｕ）で構成した場合の２通りについて検証した。銅の電気伝導率は、アルミニウムの電気伝導率よりも高い。
【００６４】
Ｓ３１、Ｓ４１、Ｓ５１、Ｓ６１の値が小さいほど、送電コイル１１０から生じる磁束がそれぞれの通信電極に及ぼす影響が小さいことを意味する。また、本実施形態における通信電極１２０、２２０の各々は差動伝送ラインであるため、Ｓ３１とＳ４１の値が近く、Ｓ５１とＳ６１の値が近いことが望ましい。
【００６５】
表１に示すように、各モジュールにおいて、導電シールドを１枚配置するだけでも、通過強度が抑圧され、通信品質が改善することがわかる。特に、コイル１１０、２１０から遠い通信電極１２０ｂ、２２０ｂへの通過強度（Ｓ４１およびＳ６１）と比較すると、コイル１１０、２１０に近い通信電極１２０ａ、２２０ａへの通過強度通過強度（Ｓ３１およびＳ５１）については、低減効果が低く、通信電極へのノイズ重畳通過特性にアンバランスが生じている。
【００６６】
各モジュールにおいて、２枚の導電シールドを配置することにより、コイル１１０、２１０に近い通信電極１２０ａ、２２０ａの通過強度（Ｓ３１およびＳ５１）を低減することができる。他方、コイル１１０、２１０から遠い通信電極１２０ｂ、２２０ｂの通過強度（Ｓ４１およびＳ６１）は、導電シールドが１枚の場合とほぼ変わらない。その結果、Ｓ３１とＳ４１の値がほぼ同程度になり、Ｓ５１とＳ６１の値がほぼ同程度の値になり、通信電極へのノイズ重畳通過特性におけるアンバランスを抑制することができる。
【００６７】
このように、各モジュールにおいて、通信電極と磁性コアとの間に２枚の導電シールドを配置する構成により、通信信号に重畳される電力伝送部起因のノイズを低減できることがわかった。
【００６８】
また、内側のシールド２をアルミニウムで構成した場合と銅で構成した場合の比較より、シールド２を電気抵抗率の低い材質で構成することにより電力伝送用のコイルのＱ値の低下を抑制できることもわかった。内側のシールド２は、銅に限らず、アルミニウム合金の電気抵抗率よりも小さい抵抗率をもつ材料を用いて構成してもよい。そのような構成によれば、ノイズの抑制効果と、Ｑ値低下の抑制効果を両立できる。
【００６９】
本発明者らは、さらに、各モジュールにおいて２枚の導電シールドを配置した構成において、図１１に示す内側のシールド１７０、２７０（シールド２）と磁性コア１３０、２３０（磁性体）との距離Ｄを変化させたときのＱ値の変化を解析した。図１２は、解析結果を示すグラフである。シールド２と磁性体との間に間隙を設け、さらに距離Ｄを大きくするほど、コイルのＱ値の低下が抑制されることが確認された。
【００７０】
以上のように、本実施形態によれば、送電コイル１１０と通信電極１２０との間に２枚の導電シールド１６０、１７０が配置され、受電コイル２１０と通信電極２２０との間に２枚の導電シールド２６０、２７０が配置される。コイル１１０、２１０の周囲には、磁性コア１３０、２３０がそれぞれ配置される。磁性コア１３０と導電シールド１７０との間、および磁性コア２３０と導電シールド２７０との間には空隙が存在する。この空隙の少なくとも一部は、任意の誘電特性の誘電体で充填されてもよい。
【００７１】
このような構成により、差動伝送ラインを構成する電極１２０ａ、１２０ｂ、および電極２２０ａ、２２０ｂに電力伝送部より重畳されるノイズ強度を抑圧するだけでなく、各電極に重畳されるノイズ強度のアンバランスさを抑制することができる。したがって、近傍で電力伝送を実施している状況でのデータ伝送の通信品質を改善することができる。また、導電シールド１７０の電気抵抗率は、導電シールド１６０の電気抵抗率よりも低い値に設定され得る。同様に、導電シールド２７０の電気抵抗率は、導電シールド２６０の電気抵抗率よりも低い値に設定され得る。このような構成により、コイル１１０、２１０間の電力伝送効率を改善することができる。
【００７２】
以上の効果を得るにあたり、送電モジュール１００および受電モジュール２００の各々における導電シールドは２枚に限らず、３枚以上であってもよい。２枚以上の導電シールドが各モジュールに設けられていれば、上記の効果を得ることができる。
【００７３】
上記の実施形態では、送電モジュール１００および受電モジュール２００の両方が２枚の導電シールドを備えている。送電モジュール１００および受電モジュール２００の一方のみが２枚の導電シールドを備えている場合でも改善効果は得られる。
【００７４】
２枚の導電シールドに関して、送電コイル１１０または受電コイル２１０と通信電極１２０または２２０との間の空間に間隙を空けて２つ以上の導電性の部材が配置されていればよい。これらの導電性の部材は必ずしも板状である必要はなく、任意の形状を有し得る。これらの導電性の部材は、互いに分離していなくてもよい。例えば、図１３に示すように、導電シールド１６０、１７０が、導電性の連結部１６５を介して相互に繋がっていてもよい。図１３の例では、第１の導電シールド１６０、第２の導電シールド１７０、および連結部１６５を、送電コイル１１０の軸を含む面で切断した場合の断面は、Ｕ字形状を有する。ここで「Ｕ字形状」とは、略平行な２つの線状部分と、当該２つの線状部分の端部同士を結ぶ他の線状部分とを含む形状を意味する。また、図１４に示すように、３つの導電シールド１６０、１７０、１８０が連結部１６５を介して相互に繋がっていてもよい。図１４の例では、３つの導電シールド１６０、１７０、１８０、および連結部１６５を、送電コイル１１０の軸を含む面で切断した場合の断面は、Ｅ字形状を有する。
【００７５】
図１３および図１４の例では、送電モジュール１００のみが複数の導電シールドを備えており、受電モジュール２００は導電シールドを備えていない。受電モジュール２００が、図１３または図１４に示すような導電シールドを備えていてもよい。
【００７６】
各導電シールドは、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。他にも、以下の構成を導電シールドまたはその代替として利用してもよい。
・導電性塗料（銀塗料、銅塗料など）を電気絶縁体で形成された側壁に塗装した構成
・導電テープ（銅テープ、アルミニウムテープなど）を電気絶縁体で形成された側壁に貼付けた構成
・導電性プラスチック（金属フィラーをプラスチックに練込んだ素材）
【００７７】
これらは、いずれも上記の導電シールドと同等の機能を実現し得る。これらの構成をまとめて「導電シールド」と称する。
【００７８】
本実施形態における各導電シールドは、送電コイルまたは受電コイル、および通信電極に沿ったリング状の構造を有する。各導電シールドは、各通信電極のように、Ｃ字状に隙間を有する構造（すなわち円弧形状）を有していてもよい。その場合も、渦電流の発生によるエネルギーの損失を低減できる。シールドは、例えば多角形または楕円形状を有していてもよい。複数枚の金属板を接合してシールドを構成してもよい。さらに、各導電シールドは、１つ以上の孔またはスリットを有していてもよい。そのような構成によれば、渦電流の発生によるエネルギーの損失を低減できる。
【００７９】
本実施形態では、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ている。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。
【００８０】
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１２０と、受電コイル２１０および通信電極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。
【００８１】
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２２０から送られてきた信号を復調する。通信電極１２０は、送電コイル１１０に隣接して配置され、通信電極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。
【００８２】
以上の実施形態では、通信電極１２０、２２０の各々は、差動伝送ラインとして機能する２つの電極を備える。通信電極１２０、２２０の各々は、１つの電極のみを備えていてもよい。その場合でも、前述の２つの導電シールドを配置することによるノイズの低減効果を得ることができる。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
送電モジュール１００は、送電コイル１１０と、通信電極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。
【００８６】
受電モジュール２００は、受電コイル２１０と、通信電極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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
（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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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】
【０１０１】
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】
【０１０２】
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
１６０  第１の導電シールド
１７０  第２の導電シールド
１８０  第３の導電シールド
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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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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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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月25日(2020.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、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、電気的な結合によるデータ伝送を行う。２つのコイルと２つの導電体との間には、導電性材料からなる遮蔽用の配置物が配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７４１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、２つの物体の間で電力およびデータを無線で伝送するシステムにおける通信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】
【０００５】
本開示の一態様に係る伝送モジュールは、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、磁界結合による送電または受電を行うコイルと、電界結合による送信または受信を行う通信電極と、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドとを備える。
【０００６】
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】
【０００７】
本開示の実施形態によれば、送電モジュールと受電モジュールとの間で電力およびデータを無線で伝送するシステムにおける通信品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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９】図９は、実施形態における無線電力データ伝送装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図９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１１】図１１は、図９に示す無線電力データ伝送装置の一部を拡大して示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態の解析結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施形態の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、実施形態の他の変形例を示す図である。
【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】
【０００９】
（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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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本数を削減することを検討した。
【００１４】
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構成例を示す図である。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ような場合、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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。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。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。
【００２０】
送電モジュール１００は、送電コイル１１０と、通信電極１２０と、磁性コア１３０と、通信回路を有する通信回路基板１４０と、これらを収容する筐体１９０とを備える。通信電極１２０は、第１電極１２０ａと、第１電極１２０ａよりも軸Ａから遠い第２電極１２０ｂとを含む。以下、２つの電極１２０ａ、１２０ｂをまとめて「通信電極１２０」と称することがある。
【００２１】
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形状）を有する。２つの電極１２０ａ、１２０ｂは、隙間を隔てて隣接している。通信電極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。
【００２２】
図６、７に示す構成では、軸Ａに対し、内径側に送電コイル１１０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、送電コイル１１０および受電コイル２１０の対と通信電極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１１０および受電コイル２１０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。
【００２３】
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と対向する方向を向くように配置される。
【００２４】
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の各々の他端は、グラウンド（ＧＮＤ）に接続される。
【００２５】
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上には前述の通信回路が設けられる。なお、通信回路基板１４０は、通信電極１２０に対向する位置とは異なる位置に配置されていてもよい。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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つの電極２２０ａ、２２０ｂを含む通信電極２２０と、磁性コア２３０と、通信回路基板２４０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。本明細書において、２つの電極２２０ａ、２２０ｂをまとめて「通信電極２２０」と称することがある。
【００２９】
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。
【００３０】
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。受電側の通信電極２２０ａ、２２０ｂは、送電側の通信電極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。通信電極１２０ａ、１２０ｂおよび通信電極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対備えていてもよい。そのような構成では、送電側から受電側への送信と、受電側から送電側への送信とを同時に行う全二重通信が可能である。
【００３１】
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。
【００３２】
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周辺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。送電コイル１１０から生じる磁束の一部が通信電極１２０、２２０に侵入すると、通信電極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。
【００３３】
また、差動伝送ラインを用いた上記のようなシステムでは、コイルに近い側の電極と遠い側の電極とで、受ける影響の度合いが異なる。このため、差動電圧がアンバランスになり、動作に影響が生じ得ることがわかった。
【００３４】
以上の考察に基づき、本発明者らは、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。
【００３５】
本開示の一態様に係る伝送モジュールは、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、磁界結合による送電または受電を行うコイルと、電界結合による送信または受信を行う通信電極と、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドとを備える。
【００３６】
上記態様によれば、前記コイルと前記通信電極との間に位置する第１の導電シールドと、前記コイルと前記第１の導電シールドとの間に位置する第２の導電シールドとが配置される。これにより、電力伝送時にコイルから生じる磁束による通信電極における信号電圧への影響を低減することができ、通信品質を向上することができる。
【００３７】
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。前記コイルと前記通信電極は、前記第１および第２の導電シールドを挟んで対向するように配置されていてもよい。
【００３８】
前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、相対的に運動するように構成され得る。前記送電モジュールおよび前記受電モジュールは、例えば、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と、受電モジュールにおけるコイルおよび通信電極とが対向する状態を維持することができる。
【００３９】
ある態様では、前記通信電極は、前記コイルの外側に位置する。他の態様では、前記通信電極は、前記コイルの内側に位置する。前記通信電極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。
【００４０】
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。
【００４１】
前記通信電極は、差動伝送ラインとして機能する２つの電極を含み得る。２つの電極は、通信回路に接続される。通信回路は、２つの電極に、例えば逆位相かつ等振幅の信号を供給する。あるいは、通信回路は、２つの電極から送られた逆位相かつ等振幅の信号を受け、復号する。このような構成によれば、通信電極が単一の電極である場合と比較して、電磁ノイズの影響を抑制することができる。
【００４２】
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、無線電力伝送部の伝送効率を改善することができる。これは、上記構成により、無線電力伝送部の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からである。
【００４３】
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値の低下を更に抑制することができる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、前記伝送モジュールは、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。
【００４７】
前記伝送モジュールは、前記通信電極に接続された通信回路をさらに備えていてもよい。前記通信電極が差動伝送ラインを構成する２つの電極を含む場合、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。
【００４８】
本開示の他の態様に係る無線電力データ伝送装置は、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。
【００４９】
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、電力伝送が通信に及ぼす影響を低減することができる。
【００５０】
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２枚の導電シールドを備え、受電モジュールは１枚の導電シールドを備えていてもよい。こ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通信品質を改善することができる。
【００５１】
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。また、回転および直動機能を有さない形態の装置において機能接続を非接点化する目的の装置でも、前記無線電力データ伝送装置を適用することが可能である。
【００５２】
本明細書において「負荷」とは、電力によって動作するあらゆる機器を意味する。「負荷」には、例えばモータ、カメラ（撮像素子）、光源、二次電池、および電子回路（例えば電力変換回路またはマイクロコントローラ）などの機器が含まれ得る。負荷と、当該負荷を制御する回路とを含む装置を、「負荷装置」と称することがある。
【００５３】
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。
【００５４】
（実施形態）
本開示の例示的な実施形態における無線電力データ伝送装置を説明する。無線電力データ伝送装置は、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）にも用いられ得るが、本明細書では、主に産業用ロボットへの適用例を説明する。
【００５５】
図９は、本実施形態における無線電力データ伝送装置の構成を示す断面図である。図１０は、図９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。
【００５６】
無線電力データ伝送装置は、送電モジュール１００と、受電モジュール２００とを備える。送電モジュール１００は、２つの通信電極１２０ａ、１２０ｂと磁性コア１３０との間に、２枚の導電シールド１６０、１７０を備えている。受電モジュール２００も同様に、２つの通信電極２２０ａ、２２０ｂと磁性コア２３０との間に、２枚の導電シールド２６０、２７０を備えている。これらの導電シールド１６０、１７０、２６０、２７０以外の構成は、図６に示す構成と同様である。
【００５７】
図１０に示すように、導電シールド１６０、１７０は、軸Ａを中心とする円環形状を有する。受電モジュール２００における導電シールド２６０、２７０も同様に、軸Ａを中心とする円環形状を有する。導電シールド１６０、１７０の円環形状の半径は、磁性コア１３０の外周壁の半径よりも大きく、内側の電極１２０ａの半径よりも小さい。同様に、導電シールド２６０、２７０の円環形状の半径は、磁性コア２３０の外周壁の半径よりも大きく、内側の電極２２０ａの半径よりも小さい。導電シールド１６０、１７０、２６０、２７０の各々は、通信電極１２０、２２０の形状のように、スリットを有する形状、すなわち円弧形状を有していてもよい。
【００５８】
図１１は、図９に示す無線電力データ伝送装置の一部を拡大して示す図である。送電モジュール１００における内側の電極１２０ａ、導電シールド１６０、導電シールド１７０、および磁性コア１３０のそれぞれの間には間隙が存在する。導電シールド１６０と導電シールド１７０との間は、磁性体を含まない空間である。同様に、受電モジュール２００における内側の電極２２０ａ、導電シールド２６０、導電シールド２７０、および磁性コア２３０のそれぞれの間には間隙が存在する。導電シールド２６０と導電シールド２７０との間は、磁性体を含まない空間である。
【００５９】
このように、磁性コア１３０と通信電極１２０との間、および磁性コア２３０と通信電極２２０との間のそれぞれに、互いに離間した２つの導電部材が配置される。このような構成により、１つの導電部材のみが配置された構成と比較して、電力伝送中に送受信される信号に含まれるノイズを大きく低減できることがわかった。
【００６０】
本発明者らは、本実施形態およびいくつかの比較例の構成において電磁界解析を行い、本実施形態の効果を検証した。表１は、解析結果を示している。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
本電磁界解析では、送電コイル１１０に交流電力を供給したときの各通信電極１２０ａ、１２０ｂ、２２０ａ、２２０ｂへの通過特性と、送電コイル１１０および受電コイル２１０のＱ値を電磁界解析によって算出した。各部材の寸法は実際の構成と同様の値を用い、電気伝導率や材料損失などの各種のパラメータは実測値を用いた。表１におけるＳ３１、Ｓ４１、Ｓ５１、Ｓ６１は、それぞれ、送電コイル１１０への入力電力に対する通信電極１２０ａ、１２０ｂ、２２０ａ、２２０ｂへの通過電力の比率（Ｓパラメータ）を表している。
【００６３】
送電モジュール１００および受電モジュール２００において、導電シールドを全く配置しなかった場合、１枚の導電シールドのみを配置した場合、および２枚の導電シールドを配置した場合のそれぞれについて、Ｓ３１、Ｓ４１、Ｓ５１、Ｓ６１を算出した。ここで、１枚の導電シールドのみを配置した場合については、外側の導電シールド１６０、２６０（「シールド１」と称する。）のみを配置した場合と、内側の導電シールド１７０、２７０（「シールド２」と称する。）のみを配置した場合の２通りについて検証した。これらの例では、シールド１およびシールド２の材料として、アルミニウム（Ａｌ）を選択した。２枚の導電シールドを配置した場合については、シールド１、２をともにアルミニウムで構成した場合と、外側のシールド１をアルミニウムで、内側のシールド２を銅（Ｃｕ）で構成した場合の２通りについて検証した。銅の電気伝導率は、アルミニウムの電気伝導率よりも高い。
【００６４】
Ｓ３１、Ｓ４１、Ｓ５１、Ｓ６１の値が小さいほど、送電コイル１１０から生じる磁束がそれぞれの通信電極に及ぼす影響が小さいことを意味する。また、本実施形態における通信電極１２０、２２０の各々は差動伝送ラインであるため、Ｓ３１とＳ４１の値が近く、Ｓ５１とＳ６１の値が近いことが望ましい。
【００６５】
表１に示すように、各モジュールにおいて、導電シールドを１枚配置するだけでも、通過強度が抑圧され、通信品質が改善することがわかる。特に、コイル１１０、２１０から遠い通信電極１２０ｂ、２２０ｂへの通過強度（Ｓ４１およびＳ６１）と比較すると、コイル１１０、２１０に近い通信電極１２０ａ、２２０ａへの通過強度通過強度（Ｓ３１およびＳ５１）については、低減効果が低く、通信電極へのノイズ重畳通過特性にアンバランスが生じている。
【００６６】
各モジュールにおいて、２枚の導電シールドを配置することにより、コイル１１０、２１０に近い通信電極１２０ａ、２２０ａの通過強度（Ｓ３１およびＳ５１）を低減することができる。他方、コイル１１０、２１０から遠い通信電極１２０ｂ、２２０ｂの通過強度（Ｓ４１およびＳ６１）は、導電シールドが１枚の場合とほぼ変わらない。その結果、Ｓ３１とＳ４１の値がほぼ同程度になり、Ｓ５１とＳ６１の値がほぼ同程度の値になり、通信電極へのノイズ重畳通過特性におけるアンバランスを抑制することができる。
【００６７】
このように、各モジュールにおいて、通信電極と磁性コアとの間に２枚の導電シールドを配置する構成により、通信信号に重畳される電力伝送部起因のノイズを低減できることがわかった。
【００６８】
また、内側のシールド２をアルミニウムで構成した場合と銅で構成した場合の比較より、シールド２を電気抵抗率の低い材質で構成することにより電力伝送用のコイルのＱ値の低下を抑制できることもわかった。内側のシールド２は、銅に限らず、アルミニウム合金の電気抵抗率よりも小さい抵抗率をもつ材料を用いて構成してもよい。そのような構成によれば、ノイズの抑制効果と、Ｑ値低下の抑制効果を両立できる。
【００６９】
本発明者らは、さらに、各モジュールにおいて２枚の導電シールドを配置した構成において、図１１に示す内側のシールド１７０、２７０（シールド２）と磁性コア１３０、２３０（磁性体）との距離Ｄを変化させたときのＱ値の変化を解析した。図１２は、解析結果を示すグラフである。シールド２と磁性体との間に間隙を設け、さらに距離Ｄを大きくするほど、コイルのＱ値の低下が抑制されることが確認された。
【００７０】
以上のように、本実施形態によれば、送電コイル１１０と通信電極１２０との間に２枚の導電シールド１６０、１７０が配置され、受電コイル２１０と通信電極２２０との間に２枚の導電シールド２６０、２７０が配置される。コイル１１０、２１０の周囲には、磁性コア１３０、２３０がそれぞれ配置される。磁性コア１３０と導電シールド１７０との間、および磁性コア２３０と導電シールド２７０との間には空隙が存在する。この空隙の少なくとも一部は、任意の誘電特性の誘電体で充填されてもよい。
【００７１】
このような構成により、差動伝送ラインを構成する電極１２０ａ、１２０ｂ、および電極２２０ａ、２２０ｂに電力伝送部より重畳されるノイズ強度を抑圧するだけでなく、各電極に重畳されるノイズ強度のアンバランスさを抑制することができる。したがって、近傍で電力伝送を実施している状況でのデータ伝送の通信品質を改善することができる。また、導電シールド１７０の電気抵抗率は、導電シールド１６０の電気抵抗率よりも低い値に設定され得る。同様に、導電シールド２７０の電気抵抗率は、導電シールド２６０の電気抵抗率よりも低い値に設定され得る。このような構成により、コイル１１０、２１０間の電力伝送効率を改善することができる。
【００７２】
以上の効果を得るにあたり、送電モジュール１００および受電モジュール２００の各々における導電シールドは２枚に限らず、３枚以上であってもよい。２枚以上の導電シールドが各モジュールに設けられていれば、上記の効果を得ることができる。
【００７３】
上記の実施形態では、送電モジュール１００および受電モジュール２００の両方が２枚の導電シールドを備えている。送電モジュール１００および受電モジュール２００の一方のみが２枚の導電シールドを備えている場合でも改善効果は得られる。
【００７４】
２枚の導電シールドに関して、送電コイル１１０または受電コイル２１０と通信電極１２０または２２０との間の空間に間隙を空けて２つ以上の導電性の部材が配置されていればよい。これらの導電性の部材は必ずしも板状である必要はなく、任意の形状を有し得る。これらの導電性の部材は、互いに分離していなくてもよい。例えば、図１３に示すように、導電シールド１６０、１７０が、導電性の連結部１６５を介して相互に繋がっていてもよい。図１３の例では、第１の導電シールド１６０、第２の導電シールド１７０、および連結部１６５を、送電コイル１１０の軸を含む面で切断した場合の断面は、Ｕ字形状を有する。ここで「Ｕ字形状」とは、略平行な２つの線状部分と、当該２つの線状部分の端部同士を結ぶ他の線状部分とを含む形状を意味する。また、図１４に示すように、３つの導電シールド１６０、１７０、１８０が連結部１６５を介して相互に繋がっていてもよい。図１４の例では、３つの導電シールド１６０、１７０、１８０、および連結部１６５を、送電コイル１１０の軸を含む面で切断した場合の断面は、Ｅ字形状を有する。
【００７５】
図１３および図１４の例では、送電モジュール１００のみが複数の導電シールドを備えており、受電モジュール２００は導電シールドを備えていない。受電モジュール２００が、図１３または図１４に示すような導電シールドを備えていてもよい。
【００７６】
各導電シールドは、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。他にも、以下の構成を導電シールドまたはその代替として利用してもよい。
・導電性塗料（銀塗料、銅塗料など）を電気絶縁体で形成された側壁に塗装した構成
・導電テープ（銅テープ、アルミニウムテープなど）を電気絶縁体で形成された側壁に貼付けた構成
・導電性プラスチック（金属フィラーをプラスチックに練込んだ素材）
【００７７】
これらは、いずれも上記の導電シールドと同等の機能を実現し得る。これらの構成をまとめて「導電シールド」と称する。
【００７８】
本実施形態における各導電シールドは、送電コイルまたは受電コイル、および通信電極に沿ったリング状の構造を有する。各導電シールドは、各通信電極のように、Ｃ字状に隙間を有する構造（すなわち円弧形状）を有していてもよい。その場合も、渦電流の発生によるエネルギーの損失を低減できる。シールドは、例えば多角形または楕円形状を有していてもよい。複数枚の金属板を接合してシールドを構成してもよい。さらに、各導電シールドは、１つ以上の孔またはスリットを有していてもよい。そのような構成によれば、渦電流の発生によるエネルギーの損失を低減できる。
【００７９】
本実施形態では、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ている。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。
【００８０】
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１２０と、受電コイル２１０および通信電極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。
【００８１】
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１１０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２２０から送られてきた信号を復調する。通信電極１２０は、送電コイル１１０に隣接して配置され、通信電極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。
【００８２】
以上の実施形態では、通信電極１２０、２２０の各々は、差動伝送ラインとして機能する２つの電極を備える。通信電極１２０、２２０の各々は、１つの電極のみを備えていてもよい。その場合でも、前述の２つの導電シールドを配置することによるノイズの低減効果を得ることができる。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
送電モジュール１００は、送電コイル１１０と、通信電極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。
【００８６】
受電モジュール２００は、受電コイル２１０と、通信電極２２０（電極２２０ａおよび２２０ｂ）と、受電回路２３と、受電制御回路２５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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
（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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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】
【０１０１】
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】
【０１０２】
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
１６０  第１の導電シールド
１７０  第２の導電シールド
１８０  第３の導電シールド
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
【国際調査報告】
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