特許 7754343 ワイヤレス給電システム、ワイヤレス給電システムの送電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-10-06

(45)【発行日】2025-10-15

(54)【発明の名称】ワイヤレス給電システム、ワイヤレス給電システムの送電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20251007BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20251007BHJP

   H04B 1/59 20060101ALI20251007BHJP

   H04B 5/45 20240101ALI20251007BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

H02J50/80

H04B1/59

H04B5/45

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2024551454

(86)(22)【出願日】2023-10-04

(86)【国際出願番号】 JP2023036142

(87)【国際公開番号】W WO2024084967

(87)【国際公開日】2024-04-25

【審査請求日】2024-12-16

(31)【優先権主張番号】P 2022168780

(32)【優先日】2022-10-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂本 紀和

(72)【発明者】

【氏名】細谷 達也

【審査官】三木 景介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２４６２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１４０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２８１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２２－５１５９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－６２６０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／１２

Ｈ０２Ｊ ５０／８０

Ｈ０４Ｂ １／５９

Ｈ０４Ｂ ５／４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受電装置と送電装置とを備え、前記送電装置と前記受電装置との間で電磁界共鳴フィールドを形成してワイヤレス給電を行うとともに、前記電磁界共鳴フィールドを用いて共鳴変調による信号伝達を行うワイヤレス給電システムであって、
前記受電装置は、
内部空間を有する筐体と、
前記内部空間に配置され、前記電磁界共鳴フィールドを形成することでワイヤレス受電を行う受電コイルと、
受電共振回路および前記共鳴変調を実行する共鳴変調回路を備えた受電回路と、
前記受電回路の出力電力を用いて所定の電気回路動作を実行する負荷回路と、
を備え、
前記送電装置は、
前記電磁界共鳴フィールドを形成することでワイヤレス送電を行う送電コイルと、
送電共振回路を有する送電回路と、送電制御回路と、
前記共鳴変調に対応する共鳴復調を実行する共鳴復調回路と、
前記送電回路の入力電流を検出する電流検出回路と、
前記入力電流を調整する電流調整回路と、
を備え、
前記送電装置は、
前記受電回路からの前記共鳴変調による信号を検出できない状態を、前記電流検出回路で検出し、
前記信号を検出できない状態の場合、前記電流調整回路によって前記入力電流を変化させることで、
前記信号を検出できない状態を回避し、前記共鳴復調の実行動作を安定化させる、
ワイヤレス給電システム。

【請求項2】

前記電流調整回路は、前記送電回路に供給する入力電圧を変化させることにより前記入力電流を変化させる、
請求項１に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項3】

前記受電装置の前記筐体は、生体適合材によって構成され、
前記受電装置は、生体の内部に埋め込まれており、
前記送電装置は、前記生体の外部に配置される、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項4】

前記生体適合材は、チタンまたはチタン合金である、
請求項３に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項5】

前記電流調整回路は、前記ワイヤレス送電を行う範囲において、前記入力電流を制御する、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項6】

前記ワイヤレス送電を行う範囲は、前記ワイヤレス送電において、所定の電力値以上となる範囲である、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項7】

前記ワイヤレス給電の周波数は、６．７８ＭＨｚ帯または１３．５６ＭＨｚ帯である、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項8】

前記負荷回路は、センシング回路、信号処理回路、無線通信回路を含む、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項9】

前記電流調整回路は、ＤＣ－ＤＣコンバータとＤ－Ａ変換器とを備え、
前記送電制御回路は、前記Ｄ－Ａ変換器に設定値を与え、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの帰還電圧を可変し、入力電圧を調整する、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項10】

前記電流調整回路は、カレントミラーを使った定電流回路を備え、
送電制御回路を用いて入力電流を設定する、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項11】

前記電流検出回路は、
前記入力電流の流れるラインに接続されるシャント抵抗と、
前記シャント抵抗の両端に発生する電圧から得られる電圧を増幅する電圧増幅アンプと、
で構成される、
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項12】

受電装置に対して電磁界共鳴フィールドを形成してワイヤレス給電を行うとともに、電磁界共鳴フィールドを用いて共鳴変調による信号伝達を行うワイヤレス給電システムの送電装置であって、
前記電磁界共鳴フィールドを形成することでワイヤレス送電を行う送電コイルと、
送電共振回路を有する送電回路と、送電制御回路と、
前記共鳴変調に対応する共鳴復調を実行する共鳴復調回路と、
前記送電回路の入力電流を検出する電流検出回路と、
前記入力電流を調整する電流調整回路と、
を備え、
前記受電装置からの前記共鳴変調による信号を検出できない状態を、前記電流検出回路で検出し、
前記信号を検出できない状態の場合、前記電流調整回路によって前記入力電流を変化させることで、
前記信号を検出できない状態を回避し、前記共鳴復調の実行動作を安定化させる、
ワイヤレス給電システムの送電装置。

【請求項13】

前記電流調整回路は、前記ワイヤレス送電を行う範囲において、前記入力電流を制御する、
請求項１２に記載のワイヤレス給電システムの送電装置。

【請求項14】

前記ワイヤレス送電を行う範囲は、前記ワイヤレス送電において、所定の電力値以上となる範囲である、
請求項１２または請求項１３に記載のワイヤレス給電システムの送電装置。

【請求項15】

前記ワイヤレス給電の周波数は、６．７８ＭＨｚ帯または１３．５６ＭＨｚ帯である、
請求項１２または請求項１３に記載のワイヤレス給電システムの送電装置。

【請求項16】

前記電流調整回路は、ＤＣ－ＤＣコンバータとＤ－Ａ変換器と、デジタル制御回路を備え、前記デジタル制御回路は、前記Ｄ－Ａ変換器に設定値を与え、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの帰還電圧を可変し、入力電圧を設定する、
請求項１２または請求項１３に記載のワイヤレス給電システムの送電装置。

【請求項17】

前記電流調整回路は、カレントミラーを使った定電流回路を備え、
送電制御回路を用いて入力電流を設定する、
請求項１２または請求項１３に記載のワイヤレス給電システムの送電装置。

【請求項18】

前記電流検出回路は、
前記入力電流の流れるラインに接続されるシャント抵抗と、
前記シャント抵抗の両端に発生する電圧から得られる電圧を増幅する電圧増幅アンプと、
で構成される、
請求項１２または請求項１３に記載のワイヤレス給電システムの送電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワイヤレス給電とともに通信を行うワイヤレス給電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ＲＦＩＤモジュールが記載されている。特許文献１のＲＦＩＤモジュールは、リーダライタまでの距離をアンテナ励起電圧の大きさによって推定する。

【0003】

特許文献１のＲＦＩＤモジュールは、アンテナ励起電圧が所定閾値を超えると、搬送波の位相を調整する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５２９００１４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、生体内埋め込み型医療機器の多機能化、他チャンネル化が進んでおり、消費電力の増加や電池交換による患者への負担が問題となっている。このため、生体内埋め込み型医療機器には、ワイヤレス給電の採用が期待される。そして、このワイヤレス給電において、ワイヤレス給電とともに通信を行う技術が各種考えられている。

【0006】

しかしながら、このような通信に対して、特許文献１に示すようなＲＦＩＤモジュールを採用した場合、通信に必要な電力を十分に受電可能な範囲であっても、通信できない状態（ＮＵＬＬが発生する状態）があった。特に、生体内埋め込み型医療機器のような金属筐体が用いられる場合には、この金属の影響によって、このような通信できない状態が生じ易い。

【0007】

したがって、本発明の目的は、ワイヤレス給電とともに信号伝達を行うときに、給電可能な距離範囲において安定して信号伝達を行うことができるワイヤレス給電システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明のワイヤレス給電システムは、受電装置と送電装置とを備える。送電装置と受電装置との間で電磁界共鳴フィールドを形成してワイヤレス給電を行うとともに、電磁界共鳴フィールドを用いて共鳴変調による信号伝達を行う。

【0009】

受電装置は、内部空間を有する筐体と、内部空間に配置され、電磁界共鳴フィールドを形成することでワイヤレス受電を行う受電コイルと、受電共振回路および共鳴変調を実行する共鳴変調回路を備えた受電回路と、受電回路の出力電力を用いて所定の電気回路動作を実行する負荷回路と、を備える。

【0010】

送電装置は、電磁界共鳴フィールドを形成することでワイヤレス送電を行う送電コイルと、送電共振回路を有する送電回路と、送電制御回路と、共鳴変調に対応する共鳴復調を実行する共鳴復調回路と、送電回路の入力電流を検出する電流検出回路と、入力電流を調整する電流調整回路と、を備える。

【0011】

送電装置は、受電回路からの共鳴変調による信号を検出できない状態を、電流検出回路で検出する。電流検出回路は、信号を検出できない状態の場合、電流調整回路によって入力電流を変化させる。

【0012】

この構成によって、ワイヤレス給電システムは、信号を検出できない状態を回避し、共鳴復調の実行動作を安定化させる。

【発明の効果】

【0013】

この発明によれば、ワイヤレス給電とともに信号伝達を行うときに、給電可能な距離範囲において安定して信号伝達を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る送電装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態に係る受電装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図4】図４は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構造の一例を示す側面断面図である。

【図5】図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）は、復調時の波形を示す図である。

【図6】図６は、本発明の実施形態に係る電流調整回路の第１例を示す図である。

【図7】図７は、本発明の実施形態に係る電流調整回路の第２例を示す図である。

【図8】図８は、本発明の実施形態に係る電流検出回路の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムについて、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成の一例を示す機能ブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係る送電装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。図３は、本発明の実施形態に係る受電装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。なお、図１では、送電装置２０の構成の一部、および、受電装置９０の構成の一部を省略して示しており、送電装置２０の具体的な構成は図２で示し、受電装置９０の具体的な構成は図３で示す。

【0016】

（ワイヤレス給電システム１０の概略構成）
図１に示すように、ワイヤレス給電システム１０は、送電装置２０、および、受電装置９０を備える。ワイヤレス給電システム１０は、送電装置２０と受電装置９０との間で電磁界共鳴フィールドを形成し、この電磁界共鳴フィールドを用いてワイヤレス給電を行うとともに、電磁界共鳴フィールドを用いた共鳴変調による信号伝達を行う。

【0017】

送電装置２０および受電装置９０は、具体的に次に示す構成を備え、この構成によって、電磁界共鳴フィールドを用いてワイヤレス給電を行うとともに、電磁界共鳴フィールドを用いた共鳴変調による信号伝達を行う。

【0018】

（送電装置２０）
図１、図２に示すように、送電装置２０は、送電コイル３０、送電回路４０、送電制御回路５０、電流検出回路６０、電流調整回路７０、入力電圧変換回路２０１、入力フィルタ２０２、および、レギュレータ５００を備える。送電回路４０は、ドライバ回路４１、電力変換回路４２、および、送電共振回路４３を備える。

【0019】

直流電源には、入力電圧変換回路２０１の入力端子が接続され、入力電圧変換回路２０１の出力端子は、入力フィルタ２０２の入力端子が接続される。なお、入力電圧変換回路２０１および入力フィルタ２０２は、省略可能である。

【0020】

入力フィルタ２０２のＨｉ側出力端子には、電流検出用抵抗Ｒｄが接続され、電流検出用抵抗Ｒｄには、電流調整回路７０の入力端子が接続される。電流調整回路７０の出力端子は、電力変換回路４２のＨｉ側入力端子が接続される。入力フィルタ２０２のＬｏｗ側出力端子は、電力変換回路４２のＬｏｗ側端に接続される。電流調整回路７０の具体的な構成は後述する。

【0021】

電力変換回路４２は、Ｈｉ側スイッチング素子Ｑ４２１（例えば、パワーＦＥＴ）とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２（例えば、パワーＦＥＴ）とを備える。Ｈｉ側スイッチング素子Ｑ４２１とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２とは、電力変換回路４２のＨｉ側入力端子とＬｏｗ側端子との間に接続される。Ｈｉ側スイッチング素子Ｑ４２１とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２とのノードは、電力変換回路４２の出力端である。

【0022】

電力変換回路４２の出力端子およびＬｏｗ側端子は、送電共振回路４３に接続される。送電共振回路４３は、送電コイル３０に接続される。

【0023】

送電共振回路４３は、所定のキャパシタンスを有する回路である。送電共振回路４３のキャパシタンスは可変であることが好ましい。

【0024】

送電コイル３０は、ループ状、巻回形の線状導体によって形成される。送電コイル３０の長さ、形状は、受電装置９０の受電コイル９１と電磁界結合可能な形状であり、送電コイル３０のインダクタンスは、受電装置９０と送電装置２０との間で発生させる電磁界共鳴フィールドを形成可能な値に設定されている。

【0025】

電流検出回路６０は、電流検出用抵抗Ｒｄの両端に接続される。電流検出回路６０の出力端は、送電制御回路５０に接続される。電流検出回路６０の具体的な構成は、後述する。

【0026】

送電制御回路５０は、ＭＰＵ等のデジタル制御回路である。送電制御回路５０は、駆動用出力端子および電流調整用出力端子を備える。

【0027】

送電制御回路５０の駆動用出力端子は、送電回路４０のドライバ回路４１に接続される。ドライバ回路４１の出力端は、電力変換回路４２のＨｉ側スイッチング素子Ｑ４２１のゲートとＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２のゲートに接続される。

【0028】

送電制御回路５０の電流調整用出力端は、電流調整回路７０に接続される。

【0029】

送電制御回路５０は、レギュレータ５００を通して、入力フィルタ２０２のＨｉ側出力端と電流検出用抵抗Ｒｄとの間のＨｉ側導電ラインに接続される。

【0030】

（受電装置９０）
図１、図３に示すように、受電装置９０は、受電コイル９１、受電回路９２、出力電圧変換回路９３、受電制御回路９４、蓄電池９９１、レギュレータ９４０、および、負荷ＺＬを備える。受電回路９２は、受電共振回路９２１、整流回路９２２、平滑回路９２３、共鳴変調回路９２４とを備える。

【0031】

受電コイル９１は、ループ状、巻回形の線状導体によって形成される。受電コイル９１の長さ、形状は、送電装置２０の送電コイル３０と電磁界結合可能な形状であり、受電コイル９１のインダクタンスは、受電装置９０と送電装置２０との間で発生させる電磁界共鳴フィールドを形成可能な値に設定されている。

【0032】

受電コイル９１は、受電共振回路９２１に接続される。受電共振回路９２１は、可変キャパシタンスを有する回路である。受電共振回路９２１の電力出力端子は、整流回路９２２の入力端子に接続される。

【0033】

整流回路９２２の出力端子は、平滑回路９２３の入力端子に接続される。平滑回路９２３の出力端子は、出力電圧変換回路９３、および、蓄電池９９１に接続される。出力電圧変換回路９３の出力端子が受電装置９０の出力端子であり、負荷ＺＬに接続される。

【0034】

受電制御回路９４は、ＭＰＵ等のデジタル制御回路である。受電制御回路９４は、共鳴変調制御用出力端子を備える。

【0035】

受電制御回路９４の共鳴変調制御用出力端子は、共鳴変調回路９２４に接続される。共鳴変調回路９２４は、受電共振回路９２１に接続される。

【0036】

受電制御回路９４は、レギュレータ９４０を通して、平滑回路９２３の出力端子に接続される。

【0037】

（送受電制御）
詳細は後述するが、送電装置２０には、ワイヤレス給電に関する信号情報が共鳴変調および共鳴復調を用いて受電装置９０から送られる。この信号情報によって、送電装置２０におけるＨｉ側伝送ラインに流れる電流は、変化する。

【0038】

送電制御回路５０は、電流検出回路６０の出力電圧波形（電流検出電圧波形）を用いて、受電装置９０からの信号情報を解析する。送電制御回路５０は、信号情報に基づいて、送電許可、不許可を判断する。送電制御回路５０は、送電許可であれば、受電装置９０に応じた電力を送電するように、送電制御の設定値を生成する。送電制御回路５０は、ドライバ回路４１に送電制御の設定値を与える。

【0039】

ドライバ回路４１は、送電制御の設定値に基づいて、Ｈｉ側スイッチング素子Ｑ４２１とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２とを、所定のスイッチング周波数でスイッチング制御するスイッチング制御信号を生成し、Ｈｉ側スイッチング素子Ｑ４２１とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２に出力する。

【0040】

Ｈｉ側スイッチング素子Ｑ４２１とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２とは、それぞれに与えられたスイッチング制御信号によってスイッチング制御する。

【0041】

また、送電制御回路５０は、定常時設定値を電流調整回路７０に与える。定常時設定値は、定常時（後述のＮＵＬＬが生じていないとき）の電力変換回路４２への入力電流を設定する値である。

【0042】

電流調整回路７０は、定常時設定値に基づいて、入力電圧Ｖｉから定常時の電力変換回路４２への入力電圧および入力電流を生成し、電力変換回路４２に出力する。

【0043】

定常時の電力変換回路４２への入力電圧、入力電流は、受電装置９０の仕様に応じて設定される受電装置９０が必要な最低電力で設定されることが好ましい。ただし、この際の最低電力は、送電コイル３０と受電コイル９１との位置関係が若干変化しても受電装置９０が必要な最低電力となる程度のマージンをもっていることがさらに好ましい。

【0044】

電力変換回路４２は、定常時入力電圧、入力電流に対するＨｉ側スイッチング素子Ｑ４２１とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ４２２とのスイッチング動作（オンオフ動作）によって生成された所定周波数（スイッチング周波数）の送電電流を、送電共振回路４３を通して、送電コイル３０に供給する。

【0045】

送電コイル３０は、所定周波数の送電電流によって励磁し、所定周波数の交番磁界を発生する。

【0046】

受電コイル９１は、送電コイル３０が発生する交番磁界に結合し、受電電流を発生する。

【0047】

この際、送電コイル３０は、送電共振回路４３とともに所定の送電共振周波数を有するように設定され、受電コイル９１は、受電共振回路９２１とともに所定の受電共振周波数を有するように設定される。そして、送電共振周波数と受電共振周波数とは略一致するように設定され、送電共振周波数は、電力変換回路４２のスイッチング周波数に略一致する。

【0048】

これにより、送電装置２０の送電コイル３０と受電装置９０の受電コイル９１との間で、所定周波数（送電共振周波数、受電共振周波数）の電磁界共鳴フィールドが形成される。したがって、ワイヤレス給電システム１０は、送電装置２０から受電装置９０へ高効率に電力を給電できる。

【0049】

なお、電磁界共鳴フィールドを形成する周波数、すなわち、ワイヤレス給電の周波数は、ＩＳＭ帯の周波数であることが好ましく、６．７８ＭＨｚ帯または１３．５６ＭＨｚであることが好ましい。

【0050】

整流回路９２２は、受電コイル９１からの受電電流を直流に整流し、平滑回路９２３は、直流電流を平滑化する。平滑回路９２３から出力される直流電流は、出力電圧変換回路９３において所定電圧に変換され、負荷ＺＬに供給される。また、平滑回路９２３から出力される直流電流は、蓄電池９９１の充電に利用される。

【0051】

負荷ＺＬは、受電回路９２から出力電圧変換回路９３を通して出力された電力を用いて所定の電気回路動作を実行する負荷回路を備える。負荷回路は、例えば、センシング回路、信号処理回路、無線通信回路の少なくとも１つを含む。具体例として、負荷ＺＬは、受電装置９０が生体内埋め込み型医療機器の場合、生体内埋め込み型医療機器で実行する処理（生体内から得られる信号のセンシング、センシング信号のフィルタ処理や増幅処理、センシング信号のＷｉｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等を利用した無線通信処理）等を行う。

【0052】

このように、ワイヤレス給電システム１０は、電磁界共鳴フィールドを形成して、送電装置２０から受電装置９０へ高効率で給電を行うことができる。これにより、ワイヤレス給電システム１０は、受電装置９０に接続する負荷ＺＬへの高効率な電力や、受電装置９０の蓄電池９９１への高効率な充電を実現できる。

【0053】

（通信）
受電制御回路９４は、送電装置２０に対するワイヤレス給電に関する信号情報を生成し、共鳴変調回路９２４に出力する。共鳴変調回路９２４は、信号情報のビット（「０」、「１」）に基づいて、受電共振回路９２１の共振条件を変化させる。これにより、受電回路９２は、信号情報に基づいた共鳴変調を実現する。

【0054】

このような共鳴変調が生じると、受電コイル９１と送電コイル３０との電磁界結合状態が変化する。これにより、送電コイル３０に流れる送電電流の振幅が変化する。すなわち、送電コイル３０および送電共振回路４３によって構成される回路は、共鳴復調を実現する。

【0055】

共鳴復調による送電電流の振幅が変化することによって、送電装置２０におけるＨｉ側伝送ラインに流れる電流は変化する。

【0056】

電流検出回路６０の出力電圧は、Ｈｉ側伝送ラインに流れる電流の影響を受ける。したがって、Ｈｉ側伝送ラインに流れる電流が変化することで、電流検出回路６０の出力電圧は変化する。

【0057】

送電制御回路５０は、この変化を検出することで、信号情報を復調する。これにより、受電装置９０から送電装置２０への信号伝達は、実現される。すなわち、ワイヤレス給電システム１０は、電磁界共鳴フィールドを用いた共鳴変調と共鳴復調による信号伝達を実現できる。

【0058】

（ワイヤレス給電システム１０の物理的な構造例）
上述のようなワイヤレス給電を行うとともに信号伝達を行うことができるワイヤレス給電システム１０は、例えば、図４のようなシステムに適用できる。図４は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構造の一例を示す側面断面図である。

【0059】

図４に示すように、ワイヤレス給電システム１０の受電装置９０は、生体の内部に埋め込まれ、送電装置２０は、生体の外部に配置される。

【0060】

（受電装置９０の構造）
受電装置９０は、筐体９８を備える。筐体９８は、内部空間９８０を有する密閉容器である。筐体９８は、生体適合材によって構成される。より具体的には、筐体９８は、開口を有する箱状の第１部材９８１と、第１部材９８１の開口を塞ぐ板状の第２部材９８２を備える。第１部材９８１は、生体適合性を有する金属からなり、例えば、チタンまたはチタン合金によって形成される。第２部材９８２は、生体適合性を有する非金属からなり、例えば、サファイヤガラス等によって形成される。

【0061】

筐体９８内には、回路基板９９、受電コイル９１、絶縁性フィルム９１１、フェライトシート９１２、蓄電池９９１、複数の電子部品９９２が配置されている。複数の電子部品９９２は、上述の受電装置９０の回路構成を実現する、例えば実装型の電子部品である。

【0062】

回路基板９９の第１面には、蓄電池９９１および複数の電子部品９９２が実装される。また、回路基板９９の第１面には、ケーブル９９３０が接続されている。ケーブル９９３０は、筐体９８の第１部材９８１に形成されたフィードスルーを通して、筐体９８外の電極パッド９９３に接続される。

【0063】

回路基板９９の第２面側には、受電コイル９１、絶縁性フィルム９１１、フェライトシート９１２が配置される。より具体的には、回路基板９９の第２面上にフェライトシート９１２が配置され、フェライトシート９１２の表面（回路基板９９の第２面と反対側の面）に、絶縁性フィルム９１１によって支持された平膜状の受電コイル９１が配置される。受電コイル９１は、回路基板９９を通して、受電回路９２を構成する電子部品９９２に接続される。

【0064】

受電コイル９１は、その平膜面が筐体９８の受電面（筐体９８における第２部材９８２を有する面）に近接し、平膜面が受電面に略平行になり、且つ、第２部材９８２に重なるように配置される。

【0065】

（送電装置２０の構造）
送電装置２０は、筐体２９を備える。筐体２９は、内部空間２９０を有する。

【0066】

筐体２９内には、回路基板２１、送電コイル３０、絶縁性フィルム３０１、フェライトシート３０２、複数の電子部品２２が配置されている。複数の電子部品２２は、上述の送電装置２０の回路構成を実現する、例えば実装型の電子部品である。

【0067】

回路基板２１には、複数の電子部品２２が実装される。また、回路基板２１には、絶縁性フィルム３０１によって支持された平膜状の送電コイル３０が接続される。フェライトシート３０２は、絶縁性フィルム３０１を挟んで送電コイル３０と反対側に配置される。

【0068】

送電コイル３０は、その平膜面が筐体２９の送電面に近接し、且つ、平膜面が送電面に略平行になるように、配置される。

【0069】

（ワイヤレス給電時の送電装置２０と受電装置９０との位置関係）
図４に示すように、ワイヤレス給電時、受電装置９０は、受電面が送電面に略平行で、且つ、受電面と送電面とが近接して対向するように、送電装置２０に配置される。この際、送電装置２０の送電コイル３０と受電装置９０の受電コイル９１とは、互いに略対向するように配置される。

【0070】

このような状態で配置されることで、送電装置２０と受電装置９０とは、上述の電磁界共鳴フィールドを発生させ、ワイヤレス給電を実現する。さらに、受電装置９０と送電装置２０とは、共鳴変調と共鳴復調とを用いた信号伝達を実現する。

【0071】

（通信時に発生するＮＵＬＬの回避方法）
上述のようなワイヤレス給電を行いながらの通信では、上述のように、通信に必要な電力を十分に受電可能な範囲であっても、通信できない状態（ＮＵＬＬが発生する状態）があった。

【0072】

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）は、復調時の波形を示す図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）において、横軸はカウント数であって時間に対応し、縦軸はコード値であって、Ｈｉ側伝送ラインを流れる電流の振幅に対応する。

【0073】

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）は、上述の定常時の給電を行った場合の一例を示し、それぞれに、送電コイルと受電コイルとの距離が異なる。図５（Ｄ）は、定常時の給電を行っていてＮＵＬＬが発生した場合に、本願発明の制御を行った時の一例を示す。

【0074】

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示すように、上述の定常時の給電を行っている場合、図５（Ａ）、図５（Ｃ）に示すように、特定の距離でなければ、信号情報によって変調されたピークは、ノイズよりも十分に高く、ピークの検出が可能であり、復調が可能である。

【0075】

しかしながら、図５（Ｂ）に示すように、特定の距離であると、信号情報によって変調されたピークの高さとノイズの高さの差が小さく（ＮＵＬＬが発生し）、ピークの検出が容易でなく、復調が難しい。これは、送電コイル３０と受電コイル９１との近傍に金属が存在するときに生じ易い現象であり、上述の図４に示すような場合に、金属製の筐体を有する生体内埋め込み型医療機器に対する給電時に生じ易い。

【0076】

この課題を解決するため、送電装置２０の送電制御回路５０は、ピークが検出できないと、電流調整回路７０に対して、電力変換回路４２への入力電流を変化させる指示データを生成し、電流調整回路７０に与える。電流調整回路７０は、ワイヤレス送電を安定して行える範囲において、電力変換回路４２への入力電流を制御する。

【0077】

例えば、具体的には、送電制御回路５０は、ピークが検出できないと、定常時の電力変換回路４２への定常時の入力電流よりも高い電流にする指示データを生成し、電流調整回路７０に与える。

【0078】

電流調整回路７０は、指示データに基づいて、電力変換回路４２への入力電流を高くする。

【0079】

このような制御を行うことで、図４（Ｄ）に示すように、送電コイル３０と受電コイル９１との距離を変化させなくても、信号情報によって変調されたピークは、ノイズよりも十分に高くなる。これにより、送電制御回路５０では、ピークの検出が可能であり、復調が可能である。

【0080】

このように、本実施形態のワイヤレス給電システム１０を用いることによって、ＮＵＬＬの発生を回避でき、ワイヤレス給電とともに通信を行うときに、給電可能な距離範囲において安定して信号を行うことができる。

【0081】

さらに、受電装置９０が生体内埋め込み型医療機器の場合、受電装置９０の位置を容易に変化させることができない。このような場合であっても、ワイヤレス給電システム１０は、上述の制御を行うことで、ＮＵＬＬの発生を回避できる。これにより、ワイヤレス給電システム１０は、生体内埋め込み型医療機器に対しても、給電可能な距離範囲において安定して信号伝達を行うことができる。

【0082】

なお、上述の説明では、ワイヤレス給電システム１０は、定常時の入力電流を必要最低限にして、ＮＵＬＬの発生時に入力電流を高くすることで、ＮＵＬＬを回避した。しかしながら、ワイヤレス給電システム１０は、定常時の入力電流を或程度高く設定しておき、ＮＵＬＬの発生時に入力電流を給電可能な範囲で低くすることで、ＮＵＬＬを回避することも可能である。

【0083】

ただし、定常時の入力電流を必要最低限に設定し、ＮＵＬＬの回避時に入力電流を高くすることで、ワイヤレス給電システム１０は、ワイヤレス給電と信号伝達を安定的に実現しながら、給電電力を必要最小限に抑えることができる。さらに、給電電力が抑えられることによって、受電装置９０内の受電電流による発熱を抑制できる。これにより、例えば、受電装置９０が生体内埋め込み型医療機器であれば、この発熱による生体への悪影響を抑制できる。

【0084】

また、受電電流の整流時のノイズを低減でき、このノイズによる受電装置９０内の電子部品への悪影響、特に、生体内埋め込み型医療機器であれば、生体信号のセンシングに対する悪影響を抑制できる。

【0085】

（電流調整回路の具体的構成１）
図６は、本発明の実施形態に係る電流調整回路の第１例を示す図である。図６に示すように、電流調整回路７０は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７１、Ｄ－Ａ変換器７２、インダクタＬ７３１、キャパシタＣ７３２、抵抗Ｒ７３３、抵抗Ｒ７３４、抵抗Ｒ７３５、キャパシタＣ７３６を備える。

【0086】

ＤＣ－ＤＣコンバータ７１は、入力端子ＶＩＮ、出力端子ＳＷ、グランド端子ＧＮＤ、フィードバック端子ＦＢを備える。入力端子ＶＩＮは、Ｈｉ側伝送ラインに接続され、グランド端子ＧＮＤは、送電装置２０の基準電位（接地電位）に接続される。

【0087】

ＤＣ－ＤＣコンバータ７１は、フィードバック端子ＦＢの電圧に基づいて、入力端子ＶＩＮの直流の入力電圧Ｖｉを、所定の直流電圧に変換し、出力する。

【0088】

インダクタＬ７３１は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７１の出力端子ＳＷと、電流調整回路７０の出力端子Ｐｏｕｔ７０との間に接続される。キャパシタＣ７３２は、インダクタＬ７３１と出力端子Ｐｏｕｔ７０とのノードとフィードバック端子ＦＢとの間に接続される。

【0089】

抵抗Ｒ７３３、抵抗Ｒ７３４、抵抗Ｒ７３５は、インダクタＬ７３１と出力端子Ｐｏｕｔ７０とのノードと基準電位との間に、ノード側から抵抗Ｒ７３３、抵抗Ｒ７３４、抵抗Ｒ７３５の順で直列接続される。抵抗Ｒ７３３と抵抗Ｒ７３４とのノードは、フィードバック端子ＦＢに接続される。

【0090】

キャパシタＣ７３６は、インダクタＬ７３１と出力端子Ｐｏｕｔ７０とのノードと基準電位との間に接続される。

【0091】

Ｄ－Ａ変換器７２のデジタル入力端子は、送電制御回路５０に接続される。Ｄ－Ａ変換器７２のアナログ出力端子は、抵抗Ｒ７３４と抵抗Ｒ７３５とのノードに接続される。

【0092】

このような構成において、送電制御回路５０は、電流調整の設定値データをＤ－Ａ変換器７２に入力する。Ｄ－Ａ変換器７２は、電流調整の設定値データに応じた出力電圧を、抵抗Ｒ７３４と抵抗Ｒ７３５とのノードに与える。これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ７１のフィードバック端子ＦＢの電圧は、設定値データに応じた出力電圧に応じた値となる。

【0093】

したがって、送電制御回路５０は、定常時からＮＵＬＬの回避用に設定値データの値を変化させることで、フィードバック端子ＦＢの電圧をＮＵＬＬの回避用に調整できる。

【0094】

これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ７１の出力電圧は、定常時の電圧から、ＮＵＬＬの回避用の電圧に調整され、電力変換回路４２の入力電流は、定常時の電流からＮＵＬＬの回避用の電流に調整される。

【0095】

したがって、ワイヤレス給電システム１０は、ワイヤレス給電とともに通信を行うときに、給電可能な距離範囲においてより安定して通信を行うことができる。

【0096】

また、電流調整回路７０は、送電制御回路５０からの設定値にしたがって、電力変換回路４２の入力電圧を調整し、これにより、電力変換回路４２の入力電流を調整できる。このような構成を用いることで、ワイヤレス給電システム１０は、電力変換回路４２への電流供給回路を追加で増加させることなく、電力変換回路４２への入力電流を増加させることができる。

【0097】

（電流調整回路の具体的構成２）
図７は、本発明の実施形態に係る電流調整回路の第２例を示す図である。図７に示すように、電流調整回路７０Ａは、Ｄ－Ａ変換器７２、および、カレントミラー回路７４を備える。カレントミラー回路７４は、抵抗Ｒ７４１１、抵抗Ｒ７４１２、抵抗Ｒ７４２、ｎｐｎ型のトランジスタＱ７４１、ｎｐｎ型のトランジスタＱ７４２を備え、定電流回路を構成する。

【0098】

トランジスタＱ７４１のベース端子とトランジスタＱ７４２のベース端子は接続される。これらベース端子のノードは、トランジスタＱ７４１のコレクタ端子に接続される。トランジスタＱ７４１のエミッタ端子とトランジスタＱ７４２のエミッタ端子は、基準電位に接続される。

【0099】

トランジスタＱ７４１のコレクタ端子は、抵抗Ｒ７４１２、抵抗Ｒ７４１１を通して、Ｈｉ側伝送ラインに接続される。トランジスタＱ７４２のコレクタ端子は、抵抗Ｒ７４２を通して、Ｈｉ側伝送ラインに接続される。

【0100】

トランジスタＱ７４２のエミッタ端子は、電流調整回路７０Ａの電力変換回路４２のＨｉ側入力端子に接続される。

【0101】

Ｄ－Ａ変換器７２のデジタル入力端子は、送電制御回路５０に接続される。Ｄ－Ａ変換器７２のアナログ出力端子は、抵抗Ｒ７４１１と抵抗Ｒ７４１２とのノードに接続される。

【0102】

このような構成により、電流調整回路７０Ａは、Ｄ－Ａ変換器７２からの電圧によって、電力変換回路４２の入力電流を低くできる。

【0103】

また、このような構成によって、電流調整回路７０Ａの回路構成は、簡素化され、送電装置２０の回路を簡素化できる。

【0104】

（電流検出回路の具体的構成）
図８は、本発明の実施形態に係る電流検出回路の一例を示す図である。図８に示すように、電流検出回路６０は、差動増幅回路によって構成される。具体的に、電流検出回路６０は、オペアンプＯＰ６０、抵抗Ｒ６０１、抵抗Ｒ６０２、抵抗Ｒ６０３、抵抗Ｒ６０４を備える。

【0105】

オペアンプＯＰ６０の反転入力端子は、抵抗Ｒ６０１を通して、電流検出用抵抗Ｒｄの出力側（電流調整回路７０側）に接続される。

【0106】

オペアンプＯＰ６０の非反転入力端子は、抵抗Ｒ６０３を通して、電流検出用抵抗Ｒｄの入力側（入力フィルタ２０２側）に接続される。また、オペアンプＯＰ６０の非反転入力端子は、抵抗Ｒ６０４を通して基準電位に接続される。

【0107】

オペアンプＯＰ６０の出力端子は、抵抗Ｒ６０２を通して反転入力端子に接続される。

【0108】

このような構成によって、電流検出回路６０は、電流検出用抵抗Ｒｄに流れる電流によって生じる電流検出用抵抗Ｒｄの両端電圧に応じた電流検出電圧を、送電制御回路５０に出力する。

【0109】

このような構成によって、送電装置２０は、共鳴変調および共鳴復調によって得られた電流を電圧変換して増幅し、より確実に安定的に検出できる。これにより、送電装置２０は、ＮＵＬＬを検出確度を向上でき、ＮＵＬＬをより確実に回避できる。したがって、ワイヤレス給電システム１０は、給電可能な距離範囲において、より安定して信号伝達を行うことができる。

【0110】

＜１＞ 受電装置と送電装置とを備え、前記送電装置と前記受電装置との間で電磁界共鳴フィールドを形成してワイヤレス給電を行うとともに、前記電磁界共鳴フィールドを用いて共鳴変調による信号伝達を行うワイヤレス給電システムであって、
前記受電装置は、
内部空間を有する筐体と、
前記内部空間に配置され、前記電磁界共鳴フィールドを形成することでワイヤレス受電を行う受電コイルと、
受電共振回路および前記共鳴変調を実行する共鳴変調回路を備えた受電回路と、
前記受電回路の出力電力を用いて所定の電気回路動作を実行する負荷回路と、
を備え、
前記送電装置は、
前記電磁界共鳴フィールド形成することでワイヤレス送電を行う送電コイルと、
送電共振回路を有する送電回路と、送電制御回路と、
前記共鳴変調に対応する共鳴復調を実行する共鳴復調回路と、
前記送電回路の入力電流を検出する電流検出回路と、
前記入力電流を調整する電流調整回路と、
を備え、
前記送電装置は、
前記受電回路からの前記共鳴変調による信号を検出できない状態を、前記電流検出回路で検出し、
前記信号を検出できない状態の場合、前記電流調整回路によって前記入力電流を変化させることで、
前記信号を検出できない状態を回避し、前記共鳴復調の実行動作を安定化させる、ワイヤレス給電システム。

【0111】

＜２＞ 前記電流調整回路は、前記送電回路に供給する入力電圧を変化させることにより前記入力電流を変化させる、＜１＞のワイヤレス給電システム。

【0112】

＜３＞ 前記受電装置の前記筐体は、生体適合材によって構成され、
前記受電装置は、生体の内部に埋め込まれており、
前記送電装置は、前記生体の外部に配置される、＜１＞または＜２＞のワイヤレス給電システム。

【0113】

＜４＞ 前記生体適合材は、チタンまたはチタン合金である、＜３＞のワイヤレス給電システム。

【0114】

＜５＞ 前記電流調整回路は、前記ワイヤレス送電を行う範囲において、前記入力電流を制御する、＜１＞乃至＜４＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0115】

＜６＞ 前記ワイヤレス送電を行う範囲は、前記ワイヤレス送電において、所定の電力値以上となる範囲である、＜１＞乃至＜５＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0116】

＜７＞ 前記ワイヤレス給電の周波数は、６．７８ＭＨｚ帯または１３．５６ＭＨｚ帯である、＜１＞乃至＜６＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0117】

＜８＞ 前記負荷回路は、センシング回路、信号処理回路、無線通信回路を含む、＜１＞乃至＜７＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0118】

＜９＞ 前記電流調整回路は、ＤＣ－ＤＣコンバータとＤ－Ａ変換器とを備え、
前記送電制御回路は、前記Ｄ－Ａ変換器に設定値を与え、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの帰還電圧を可変し、入力電圧を調整する、＜１＞乃至＜８＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0119】

＜１０＞ 前記電流調整回路は、カレントミラーを使った定電流回路を備え、
送電制御回路を用いて入力電流を設定する、＜１＞乃至＜９＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0120】

＜１１＞ 前記電流検出回路は、
前記入力電流の流れるラインに接続されるシャント抵抗と、
前記シャント抵抗の両端に発生する電圧から得られる電圧を増幅する電圧増幅アンプと、
で構成される、＜１＞乃至＜１０＞のいずれかのワイヤレス給電システム。

【0121】

＜１２＞ 受電装置に対して電磁界共鳴フィールドを形成してワイヤレス給電を行うとともに、電磁界共鳴フィールドを用いて共鳴変調による信号伝達を行うワイヤレス給電システムの送電装置であって、
前記電磁界共鳴フィールド形成することでワイヤレス送電を行う送電コイルと、
送電共振回路を有する送電回路と、送電制御回路と、
前記共鳴変調に対応する共鳴復調を実行する共鳴復調回路と、
前記送電回路の入力電流を検出する電流検出回路と、
前記入力電流を調整する電流調整回路と、
を備え、
前記受電装置からの前記共鳴変調による信号を検出できない状態を、前記電流検出回路で検出し、
前記信号を検出できない状態の場合、前記電流調整回路によって前記入力電流を変化させることで、
前記信号を検出できない状態を回避し、前記共鳴復調の実行動作を安定化させる、
ワイヤレス給電システムの送電装置。

【0122】

＜１３＞ 前記電流調整回路は、前記ワイヤレス送電を行う範囲において、前記入力電流を制御する、＜１２＞のワイヤレス給電システムの送電装置。

【0123】

＜１４＞ 前記ワイヤレス送電を行う範囲は、前記ワイヤレス送電において、所定の電力値以上となる範囲である、＜１２＞または＜１３＞のワイヤレス給電システムの送電装置。

【0124】

＜１５＞ 前記ワイヤレス給電の周波数は、６．７８ＭＨｚ帯または１３．５６ＭＨｚ帯である、＜１２＞乃至＜１４＞のいずれかのワイヤレス給電システムの送電装置。

【0125】

＜１６＞ 前記電流調整回路は、ＤＣ－ＤＣコンバータとＤ－Ａ変換器と、デジタル制御回路を備え、前記デジタル制御回路は、前記Ｄ－Ａ変換器に設定値を与え、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの帰還電圧を可変し、入力電圧を設定する、＜１２＞乃至＜１５＞のいずれかのワイヤレス給電システムの送電装置。

【0126】

＜１７＞ 前記電流調整回路は、カレントミラーを使った定電流回路を備え、
送電制御回路を用いて入力電流を設定する、＜１２＞乃至＜１６＞のいずれかのワイヤレス給電システムの送電装置。

【0127】

＜１８＞ 前記電流検出回路は、
前記入力電流の流れるラインに接続されるシャント抵抗と、
前記シャント抵抗の両端に発生する電圧から得られる電圧を増幅する電圧増幅アンプと、
で構成される、＜１２＞乃至＜１７＞のいずれかのワイヤレス給電システムの送電装置。

【符号の説明】

【0128】

１０：ワイヤレス給電システム
２０：送電装置
２１：回路基板
２２：電子部品
２９：筐体
３０：送電コイル
４０：送電回路
４１：ドライバ回路
４２：電力変換回路
４３：送電共振回路
５０：送電制御回路
６０：電流検出回路
７０、７０Ａ：電流調整回路
７１：ＤＣ－ＤＣコンバータ
７２：Ｄ－Ａ変換器
７４：カレントミラー回路
９０：受電装置
９１：受電コイル
９２：受電回路
９３：出力電圧変換回路
９４：受電制御回路
９８：筐体
９９：回路基板
９９１：蓄電池
２０１：入力電圧変換回路
２０２：入力フィルタ
２９０：内部空間
３０１：絶縁性フィルム
３０２：フェライトシート
５００：レギュレータ
９１１：絶縁性フィルム
９１２：フェライトシート
９２１：受電共振回路
９２２：整流回路
９２３：平滑回路
９２４：共鳴変調回路
９４０：レギュレータ
９８０：内部空間
９８１：第１部材
９８２：第２部材
９９１：蓄電池
９９２：電子部品
９９３：電極パッド
９９３０：ケーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】