JPH1014139A

JPH1014139A - 電力伝送装置

Info

Publication number: JPH1014139A
Application number: JP8155319A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Sato; 耕太郎佐藤
Original assignee: NEC Corp; Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; NEC Corp
Priority date: 1996-06-17
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷に変動が生じても、変動に追従して、常
に、最適電力を電力受信機に供給できるようにする。【解決手段】電力受信機５側において、二次側の電力
消費量（負荷）が大となって、供給電力が不足するとき
は、電圧ステータス信号発生器５４が、電源電圧Ｖddの
低下を検知することで、"供給電力が不足している"旨の
電圧ステータス信号ＶＳＴを生成する。信号送受波回路
５５は、生成された電圧ステータス信号ＶＳＴを電力送
信機３にワイヤレスで送出する。ワイヤレスで送出され
た電圧ステータス信号ＶＳＴは、電力送信機３の信号送
受波器４１によって受信される。ＰＷＭ制御回路３３
は、送受波回路４１を介して入力された電圧ステータス
信号ＶＳＴに基づいて、電力受信機５に供給される電力
量を増加する制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁誘導を利用
して一次側の電力送信機から二次側の電力受信機に非接
触で電力を伝送する電力伝送装置に係り、特に、体外の
電力送信機から体内に埋め込まれた電力受信機に電力を
供給することにより、筋肉又は神経に電気刺激を与えて
麻痺した筋肉を動かすＦＥＳ（機能的電気刺激；Functi
on Electrical Stimulation）装置に適用して好適な電
力伝送装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の電力伝送装置としては、
例えば、特開昭６１−２７１８０６号公報、特開平３−
２０５９５号公報、特開平４−３３４９７５号公報等に
記載の装置が知られている。これら従来の装置におい
て、一次側の電力送信機１は、図６に示すように、電力
送信用コイル１１と、この電力送信用コイル１１と直列
に接続され、電力送信用コイル１１と共に直列共振回路
を構成するコンデンサ１２と、電力送信用コイル１１を
駆動する発振回路１３と、この発振回路１３を駆動する
制御回路１４とから概略構成されている。また、二次側
の電力受信機２は、同図に示すように、電力送信機１の
電力送信用コイル１１と電磁的に結合されている電力受
信用コイル２１と、この電力受信用コイル２１の両端に
並列に接続され、電力受信用コイル２１と共に並列共振
回路を構成するコンデンサ２２と、並列共振回路と直列
に接続され、負荷２３に直流電圧を加えるダイオード２
４と、負荷２３と並列に接続され、ダイオード２４の整
流出力を平滑する平滑用コンデンサ２５とから概略構成
されている。この場合、電力送信用コイル１１とコンデ
ンサ１２とで構成される直列共振回路の共振周波数と、
電力受信用コイル２１とコンデンサ２２とで構成される
並列共振回路の共振周波数とを、いずれも、発振回路１
３の出力周波数に一致させている。

【０００３】そして、動作時には、発振回路１３によっ
て駆動される電力送信用コイル１１の電磁エネルギによ
って、電力受信用コイル２１に誘導（伝送）される交流
電圧の周波数は、並列共振回路の共振周波数と一致して
いるので、並列共振回路には大きな共振電流が流れ、こ
のためコンデンサ２２の両側には大きな電圧が発生す
る。そして、この交流電圧は、ダイオード２４で整流さ
れ、平滑用コンデンサ２５で平滑されて直流電圧とな
り、この直流電圧が負荷２３に与えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電力伝送装置では、両コイル１１，２１間の距離変
動や電力受信機２側の負荷変動等に追従して、伝送電力
を調節できない、という欠点があった。このため、急激
にかつ大きく変動する負荷を扱う装置、例えば、人体の
筋肉を動かすＦＥＳ装置に上記従来の電力伝送装置を適
用する場合には、使い勝手が悪い、という問題があっ
た。そこで、最大負荷にも対処できるようにするため
に、送信機１側が、最大消費量に対応する電力量を受信
機２側に常に供給し続ける方式を採用するのも一案であ
る。しかしながら、この方式では、大きな電力を必要と
しない場合でも、電力送信機１が大電力量を供給しよう
とするため、電力受信機２に誘導される交流電圧が高く
なり、受信機２側の並列共振回路等に過大な電流が流
れ、この結果、回路に無駄な発熱が生じ、回路素子の寿
命を早めてしまうことになる。また、負荷２３に過大な
電圧が供給されてしまう、という問題もある。この対策
として、平滑用コンデンサ２５と負荷２３との間に定電
圧素子を介挿して、負荷２３の電圧を常に一定にするこ
ともできる。しかし、それでも無駄な電力消費の問題は
何等解決されず、特に、不要な電圧を吸収している定電
圧素子では過大な電力損失や発熱のことが問題になる。

【０００５】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、負荷やコイル間距離に変動が生じても、変動に
追従して、常に、最適電力を二次側に供給できると共
に、最適の伝送電力を一次側にて発生できる電力伝送装
置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、電力送信機側の電力送信用
コイルと電力受信機側の電力受信用コイルとの磁気結合
により、一次側の上記電力送信機から二次側の上記電力
受信機に非接触で電力を伝送する電力伝送装置に係り、
二次側の消費電力の状態を検知して当該消費電力に関す
るステータス情報を生成するステータス情報生成手段
と、ステータス情報生成手段によって生成された上記ス
テータス情報に基づいて、上記電力受信機に供給される
電力量を制御するための電力制御手段とを有してなるこ
とを特徴としている。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、電力送信機
側の電力送信用コイルと電力受信機側の電力受信用コイ
ルとの磁気結合により、一次側の上記電力送信機から二
次側の上記電力受信機に非接触で電力を伝送する電力伝
送装置に係り、上記電力受信機が、二次側の消費電力の
状態を検知して当該消費電力に関するステータス情報を
生成する受信機側ステータス情報生成手段と、該受信機
側ステータス情報生成手段によって生成されたステータ
ス情報を上記電力送信機にワイヤレスで送出するための
ステータス情報送信手段とを有してなると共に、上記電
力送信機が、上記ステータス情報送信手段から送出され
た上記ステータス情報をワイヤレスで受信するステータ
ス情報受信手段と、該ステータス情報受信手段を介して
入力された上記ステータス情報に基づいて、上記電力受
信機に供給される電力量を制御するための電力制御手段
とを有してなることを特徴としている。

【０００８】また、請求項３記載の発明は、電力送信機
に設けられた電力送信用コイルと電力受信機に設けられ
た電力受信用コイルとの磁気結合により、一次側の上記
電力送信機から二次側の上記電力受信機に非接触で電力
を伝送する電力伝送装置に係り、上記電力受信機が、二
次側の消費電力の状態を検知して当該消費電力に関する
ステータス情報を生成する受信機側ステータス情報生成
手段と、該受信機側ステータス情報生成手段によって生
成されたステータス情報を上記電力送信機にワイヤレス
で送出するためのステータス情報送信手段とを有してな
ると共に、上記電力送信機が、上記ステータス情報送信
手段から送出された上記ステータス情報をワイヤレスで
受信するステータス情報受信手段と、上記電力送信用コ
イルを流れる電流の状態を検知して当該電流量に関する
ステータス情報を生成する送信機側ステータス情報生成
手段と、上記ステータス情報受信手段を介して又は上記
送信機側ステータス情報生成手段から入力された上記ス
テータス情報に基づいて、上記電力受信機に供給される
電力量を制御するための電力制御手段とを有してなるこ
とを特徴としている。

【０００９】また、請求項４記載の発明は、請求項２又
は３記載の電力伝送装置に係り、上記受信機側ステータ
ス情報生成手段が、二次側の電源電圧が予め設定された
基準電圧よりも低いときは、供給電力が不足している旨
のステータス情報を生成することを特徴としている。

【００１０】また、請求項５記載の発明は、請求項２又
は３記載の電力伝送装置に係り、上記受信機側ステータ
ス情報生成手段が、二次側の電源電圧が予め設定された
第１の基準電圧よりも低いときは、供給電力が不足して
いる旨のステータス情報を生成すると共に、二次側の電
源電圧が予め設定された第２の基準電圧よりも高いとき
は、供給電力が過多である旨のステータス情報を生成す
ることを特徴としている。

【００１１】また、請求項６記載の発明は、請求項３記
載の電力伝送装置に係り、上記送信機側ステータス情報
生成手段が、上記電力送信用コイルを流れる電流量が予
め設定された基準値よりも多いときは、コイル電流量が
過多である旨のステータス情報を生成することを特徴と
している。

【００１２】また、請求項７記載の発明は、請求項２，
３，４，５又は６記載の電力伝送装置に係り、上記電力
制御手段が、上記ステータス情報受信手段を介して又は
上記送信機側ステータス情報生成手段から入力された上
記ステータス情報に基づいて、パルス幅変調された交流
発生信号を生成して電力送信用コイル駆動手段に出力す
ると共に、該電力送信用コイル駆動手段が、入力された
交流発生信号に基づいて、上記電力送信用コイルを駆動
することを特徴としている。

【００１３】また、請求項８記載の発明は、請求項２，
３，４，５，６又は７記載の電力伝送装置に係り、上記
電力受信機には、筋肉又は神経を電気刺激するための刺
激発生手段が備えられてなることを特徴としている。

【００１４】

【作用】この発明の構成では、電力受信機側において、
二次側の電力消費量（負荷）が大となって、供給電力が
不足するときは、受信機側ステータス情報生成手段がこ
れを検知して、"供給電力が不足している"旨のステータ
ス情報を生成する。ステータス情報送信手段は、生成さ
れたステータス情報を上記電力送信機にワイヤレスで送
出する。ワイヤレスで送出された上記ステータス情報
は、電力送信機のステータス情報受信手段によって受信
される。電力制御手段は、ステータス情報受信手段を介
して入力された上記ステータス情報に基づいて、電力受
信機に供給される電力量を増加する制御を行う。次に、
電力受信機側において、二次側の電力消費量（負荷）が
小となって、供給電力が過多となったときは、受信機側
ステータス情報生成手段がこれを検知して、"供給電力
が過多である"旨のステータス情報を生成する。ステー
タス情報送信手段は、生成されたステータス情報を電力
送信機にワイヤレスで送出する。ワイヤレスで送出され
た上記ステータス情報は、電力送信機のステータス情報
受信手段によって受信される。電力制御手段は、ステー
タス情報受信手段を介して入力された上記ステータス情
報に基づいて、電力受信機に供給される電力量を減らす
制御を行う。一方、両コイル間の距離が離れすぎたため
に、共振周波数が設定値から大きくずれ、この結果、一
次側の電力送信用コイルを流れる電流量が過大となった
ときは、送信機側ステータス情報生成手段がこれを検知
して、"コイル電流量が過多である"旨のステータス情報
を生成する。電力制御手段は、入力された上記ステータ
ス情報に基づいて、上記コイル電流量を減らす制御を行
う。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。図１は、この発明の一実施例である電
力伝送装置が適用されたＦＥＳ（機能的電気刺激）装置
の電気的構成を示すブロック図、図２は、同ＦＥＳ装置
の伝送電力制御の一部を担うシフトレジスタの入出力端
子を詳細に示す図、図３は、同シフトレジスタの動作を
説明するためのタイムチャート、図４は、同ＦＥＳ装置
の動作処理手順（ＰＷＭ制御アルゴリズム）を示すフロ
ーチャート、また、図５は、同ＦＥＳ装置の制御動作を
説明するためのタイムチャートである。この例のＦＥＳ
装置は、筋肉又は神経に電気刺激を与えて麻痺した筋肉
を働かせる装置であり、体外に置かれる一次側の電力送
信機３から、体内に埋め込まれる二次側の電力受信機４
に電磁誘導を利用して非接触で電力を伝送する構成とな
っている。上記電力送信機３は、図１に示すように、Ｃ
ＰＵ（中央処理装置）３１と、メモリ３２と、ＰＷＭ制
御回路３３と、Ｄラッチ回路３４と、クロック発生器３
５と、分周器３６と、シフトレジスタ３７と、フルブリ
ッジ回路３８と、直列共振回路３９と、電流ステータス
信号発生器４０と、信号送受回路４１とから構成されて
いる。また、上記電力受信機５は、同図に示すように、
並列共振回路５１と、ダイオードからなる全波整流器５
２と、平滑用コンデンサ５３と、電圧ステータス信号発
生器５４と、信号送受回路５５と、刺激発生回路５６と
から構成されている。

【００１６】まず、電力送信機３の各部から説明する。
ＣＰＵ３１は、メモリ３２を構成するＲＯＭに記憶され
た処理プログラムを、同じくメモリ３２を構成するワー
クＲＡＭを用いて実行することにより装置各部を制御す
る。この例において、特に重要なＣＰＵ３１の制御を挙
げれば、ＣＰＵ３１は、電力伝送許可信号ＤＲＶをＰＷ
Ｍ制御回路３３に送出して、電力受信機５側への電力の
供給を開始／継続させる制御を行うと共に、制御信号Ｃ
ＴＬをワイヤレスで電力受信機５の刺激発生回路５６に
送出して刺激出力ＳＴＭを開始、停止、変更させる制御
を行う。なお、ＣＰＵ３１は、装置に異常事態が発生し
たときには、電力伝送許可信号ＤＲＶの出力を停止す
る。また、負荷の変動を伴う刺激出力ＳＴＭの変更制御
は、例えば、刺激を与えるチャンネル数（筋肉繊維又は
神経の数）の増減、刺激電圧及び刺激周波数の変更を刺
激発生回路５６に指示することで行われる。

【００１７】また、ＰＷＭ制御回路３３は、ＣＰＵ３１
から電力伝送許可信号ＤＲＶの供給を受けている間、電
流ステータス信号発生器４０から与えられる電流ステー
タス信号ＡＳＴ、及び電圧ステータス信号発生器５４か
ら与えられる電圧ステータス信号ＶＳＴに基づいて、後
述するＰＷＭ（パルス幅変調）制御アルゴリズム（図
２）で、伝送電力量の制御に用いられるＰＷＭ制御信号
ＤＡＴを生成してＤラッチ回路３４に出力すると共に、
必要に応じて、書き込み信号（ラッチ・イネーブル信
号）ＥＮＡをＤラッチ回路３４に与える。この例のＰＷ
Ｍ制御回路３３では、ＰＷＭ制御アルゴリズムによっ
て、ＴＹＰＥ０（＝００００００００）、ＴＹＰＥ１
（＝１０００００００）、ＴＹＰＥ２（＝１１００００
００）、ＴＹＰＥ３（＝１１１０００００）、ＴＹＰＥ
４（＝１１１１１０００）、ＴＹＰＥ５（＝１１１１１
１１１）の６種類のＰＷＭ制御信号ＤＡＴが生成可能
で、これにより、伝送電力量は６段階の範囲で段階的に
制御される。すなわち、ＴＹＰＥ０のＰＷＭ制御信号Ｄ
ＡＴが生成されるなら伝送電力量は零に、ＴＹＰＥ５の
ＰＷＭ制御信号ＤＡＴなら最大電力量に、また、ＴＹＰ
Ｅ１からＴＹＰＥ４までのＰＷＭ制御信号ＤＡＴなら、
ＴＹＰＥ１→ＴＹＰＥ２→ＴＹＰＥ３→ＴＹＰＥ４の順
に伝送電力量は増加の方向に段階的に制御される。Ｄラ
ッチ回路３４は、ＰＷＭ制御回路３３から出力される書
き込み信号ＥＮＡの入力タイミングで、そのとき、入力
側に存在していたＰＷＭ制御信号ＤＡＴを、次の書き込
み信号ＥＮＡが与えられるまで、以後の入力に関係な
く、出力に一時保持する。

【００１８】シフトレジスタ３７は、Ｄフリップフロッ
プをカスケード接続して得られる例えば１６ビット構成
のもので、クロック発生器３５から出力されるクロック
ＣＬＫ（この例では、周波数が電力伝送周波数の１６倍
のクロック）と、分周器３６から出力される分周信号Ｄ
ＣＫ（この例では、周波数がクロック周波数の１／１６
の分周信号）を入力し、入力された分周信号ＤＣＫの状
態がレベル「０」である間は、出力側でクロックＣＬＫ
によるシフト動作を行う一方（シフト・モード）、
「１」の分周信号ＤＣＫが入力したとき、つまり、正パ
ルスの分周信号ＤＣＫが入力したときは、そのとき、入
力側に存在していたＰＷＭ制御信号ＤＡＴ（Ｄラッチ回
路３４の出力信号）を出力側にロードする（ロード・モ
ード）。なお、このシフトレジスタ３７では、入力Ｄ0
〜Ｄ7が接地されることで、入力Ｄ0〜Ｄ7には、常に
「０」がロードされる構成とされ、一方、入力Ｄ8〜Ｄ1
5には８ビットのＰＷＭ制御信号ＤＡＴ（Ｄラッチ回路
３４の出力信号）がパラレルにロードされる。さらに、
図２を参照して詳述すれば、、入力端子ＣＫには入力端
子ＳＨ／ＬＤの１６倍のパルスが入るので、まず、入力
された分周信号ＤＣＫの状態が「０」である間は、出力
Ｓ15〜Ｓ0では、１６回"さざ波"シフトＳ15→Ｓ15→Ｓ1
4…Ｓ3→Ｓ2→Ｓ1が行われ、次に、「１」の分周信号Ｄ
ＣＫが入力すると、入力Ｄ15〜Ｄ8にパラレルに存在す
る８ビットのＰＷＭ制御信号ＤＡＴを出力Ｓ15〜Ｓ8に
ロードし（Ｄ15→Ｓ15，Ｄ14→Ｓ14，…，Ｄ8→Ｓ8）、
各入力Ｄ7〜Ｄ0に存在する「０」を出力Ｓ7〜Ｓ0にロー
ドする(Ｄ7→Ｓ7，Ｄ6→Ｓ6，…，Ｄ1→Ｓ1)。再び、ロ
ードされた出力Ｓ15〜Ｓ0で、１６回"さざ波"シフトＳ1
5→Ｓ14→Ｓ13…Ｓ3→Ｓ2→Ｓ1が行われ、この後、再
び、入力Ｄ15〜Ｄ8にパラレルに存在する８ビットのＰ
ＷＭ制御信号ＤＡＴを出力Ｓ15〜Ｓ8にロードする（Ｄ1
5→Ｓ15，Ｄ14→Ｓ14，…，Ｄ8→Ｓ8）と共に、各入力
Ｄ7〜Ｄ0に存在する「０」を出力Ｓ7〜Ｓ0にロードする
（Ｄ7→Ｓ7，Ｄ6→Ｓ6，…，Ｄ1→Ｓ1）。以下、上記の
動作が繰り返される。なお、シフトレジスタ３７の出力
Ｓ15では、"さざ波"が通り過ぎた後、次に、ロードされ
るまで、「０」となるようにしている。

【００１９】この例のシフトレジスタ３７では、出力Ｓ
15〜Ｓ8のうち、出力Ｓ8が、スイッチング信号ＳＷ＋と
して、また、出力Ｓ0が、スイッチング信号ＳＷ−とし
て、フルブリッジ回路３８にそれぞれ入力されるように
なっている。いま、正パルスの分周信号ＤＣＫの入力タ
イミング（図３（ロ）参照）で、出力Ｓ15〜Ｓ8に、Ｔ
ＹＰＥ０（＝００００００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡ
Ｔがパラレルにロードされたときは、出力Ｓ8〜Ｓ15に
は全て「０」がロードされるので、クロックＣＬＫの入
力タイミング（同図（イ））で１６回のシフト動作が行
われても、出力Ｓ8，Ｓ0からはパルス波形は出力されな
い（同図（ハ））。次に、正パルスの分周信号ＤＣＫの
入力タイミングで、出力Ｓ15〜Ｓ8に、ＴＹＰＥ１（＝
１０００００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴがパラレル
にロードされたときは、出力Ｓ8にのみ「１」が、Ｓ9〜
Ｓ15には「０」がロードされるので、クロックＣＬＫの
入力タイミングで１６回のシフト動作が行われることに
より、出力Ｓ8，Ｓ0からは、同図（ニ）に示すように、
デューティ比１／１６のパルス波形（スイッチング信号
ＳＷ＋，ＳＷ−）が得られる。今度は、正パルスの分周
信号ＤＣＫの入力タイミングで、出力Ｓ15〜Ｓ8に、Ｔ
ＹＰＥ２（＝１１００００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡ
Ｔがパラレルにロードされたとすると、出力Ｓ8，Ｓ9に
は「１」が、Ｓ10〜Ｓ15には「０」がそれぞれロードさ
れるので、クロックＣＬＫの入力タイミングで１６回の
シフト動作が行われることにより、出力Ｓ8，Ｓ0から
は、同図（ホ）に示すように、デューティ比２／１６の
パルス波形（スイッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−）が得ら
れる。同様に、出力Ｓ15〜Ｓ8にＴＹＰＥ３（＝１１１
０００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴがパラレルにロー
ドされたときは、それぞれの出力Ｓ8，Ｓ0からは、同図
（ヘ）に示すように、デューティ比３／１６のパルス波
形（スイッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−）が、出力Ｓ15〜
Ｓ8にＴＹＰＥ４（＝１１１１１０００）のＰＷＭ制御
信号ＤＡＴがパラレルにロードされたときは、それぞれ
の出力Ｓ8，Ｓ0からは、同図（ト）に示すように、デュ
ーティ比５／１６のパルス波形（スイッチング信号ＳＷ
＋，ＳＷ−）が、また、出力Ｓ15〜Ｓ8にＴＹＰＥ５
（＝１１１１１１１１）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴがパラ
レルにロードされたときは、それぞれの出力Ｓ8，Ｓ0か
らは、同図（チ）に示すように、デューティ比８／１６
のパルス波形（スイッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−）がそ
れぞれ得られる。

【００２０】また、フルブリッジ回路３８は、直流を交
流に変換して直列共振回路３９を駆動するためのインバ
ータであり、直列共振回路３９のオンオフを分周信号Ｄ
ＣＫの周期で交互に行う２組のアナログスイッチング素
子（例えばＦＥＴ）から構成されている。すなわち、シ
フトレジスタ３７の出力Ｓ8（スイッチング信号ＳＷ
＋）が、一方の組のアナログスイッチング素子に入力さ
れ、シフトレジスタ３７の出力Ｓ0（スイッチング信号
ＳＷ−）が、他方の組のアナログスイッチング素子に入
力されると、これら２組のアナログスイッチング素子が
交互にオンオフを繰り返すスイッチング動作により、ス
イッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−のパルス幅（デューティ
比）に応じた直列共振回路３９に交流の伝送電力が発生
する。上記直列共振回路３９は、平面コイルである電力
送信用コイル３９１と、この電力送信用コイル３９１と
直列に接続されたコンデンサ３９２とからなり、この直
列共振回路３９の共振周波数は、フルブリッジ回路３８
の駆動周波数と一致するように設定されている。電流ス
テータス信号発生器４０は、電力送信用コイル３９１を
流れる電流を検出する図示せぬ電流検出器と、この電流
検出器によって検出されたコイル電流量と所定の基準電
流量とを比較する比較器とを備え、コイル電流量が基準
電流量を越えるときは、"コイル電流量が過多である"
旨、コイル電流量が基準電流量を越えないときは、"コ
イル電流量は過多ではない"旨の各種電流ステータス信
号ＡＳＴを生成してＰＷＭ制御回路３３に送出する。

【００２１】また、信号送受回路４１は、アンテナ４１
ａを介して、ＣＰＵ３１から出力される制御信号ＣＴＬ
を電力受信機５に送出して、ＣＰＵ３１からの指示（刺
激出力ＳＴＭの開始、停止、変更指示）を刺激発生回路
５６に伝えると共に、電力受信機５から電波とされて放
射された電圧ステータス信号ＶＳＴを受信し、検波して
復調された電圧ステータス信号ＶＳＴをＰＷＭ制御回路
３３に供給する。

【００２２】次に、電力受信機５の各部について説明す
る。上記並列共振回路４１は、図１に示すように、電力
送信機３の電力送信用コイル３９１と磁気結合される電
力受信用コイル（平面コイル）５１１と、この電力受信
用のコイル５１１の両端に並列に接続されたコンデンサ
５１２とからなっている。この並列共振回路４１の共振
周波数も、フルブリッジ回路３８の駆動周波数と一致す
るように設定されている。この並列共振回路５１は、並
列共振回路５１と並列に接続され、直流の電源電圧Ｖdd
を生成するための全波整流器５２と、この全波整流器５
２の整流出力を平滑する平滑用コンデンサ５３と共に、
二次側電源部を構成している。そして、動作時には、一
次側のフルブリッジ回路３８によって駆動される電力送
信用コイル３９１の電磁エネルギによって、二次側の電
力受信用コイル５１１に誘導（伝送）される交流電圧の
周波数は、並列共振回路３９の共振周波数と一致してい
るので、並列共振回路３９には大きな共振電流が流れ、
このためコンデンサ５１２の両側には大きな交流電圧が
発生する。そして、この交流電圧は、全波整流器５２で
全波整流され、平滑用コンデンサ５３で平滑されて直流
の電源電圧Ｖddとなり、この直流の電源電圧が筋肉や神
経や刺激発生回路５６等の負荷に与えられる。

【００２３】電圧ステータス信号発生器５３は、二次側
電源部の電源電圧Ｖddを検出する図示せぬ電圧検出器
と、検出された電源電圧Ｖddを所定の下限側基準電圧値
と比較する下限側比較器と、検出された電源電圧Ｖddを
所定の上限側基準電圧値と比較する上限側比較器とを備
え、電源電圧Ｖddが下限側基準電圧値を下回るとき
は、"電源電圧Ｖddが不足している"旨、電源電圧Ｖddが
上限側基準電圧値を上回るときは、"電源電圧Ｖddが超
過している"旨、電源電圧Ｖddが下限側基準電圧値と上
限側基準電圧値との間にあるときは、"電源電圧Ｖddは
適切である"旨の各種電圧ステータス信号ＶＳＴを生成
して信号送受回路５５に送出する。また、信号送受回路
５５は、アンテナ５５ａを介して、入力された電圧ステ
ータス信号ＶＳＴを電力送信機３に送出して、ＰＷＭ制
御回路３３に供給すると共に、ＣＰＵ３１から出力され
た制御信号ＣＴＬを受信し、検波して復調された制御信
号ＣＴＬを刺激発生回路５６に供給する。刺激発生回路
５６は、筋肉又は神経に２０Ｈｚ程度の交流信号を与え
て電気刺激する回路であり、電力送信機３のＣＰＵ３１
によって、刺激を与えるチャンネル数（筋肉繊維又は神
経の数）、刺激電圧及び刺激周波数等が制御される。

【００２４】次に、図４のフローチャート（ＰＷＭ制御
アルゴリズム）を参照して、この例の動作について説明
する。操作者によって装置に電源が投入されると、ま
ず、ＣＰＵ３１は、装置各部のイニシャライズを行う。
このイニシャライズは、メモリ３２内に設定された各種
レジスタのクリア及び各種フラグのリセット並びに周辺
回路の初期設定となる各種変数の初期設定等である。Ｐ
ＷＭ制御回路３３においては、初期設定のときに、ＴＹ
ＰＥ０（＝００００００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴ
が生成されて出力される状態とされる（ステップＳＰ
１）。このＴＹＰＥ０の出力では、電力送信用コイル３
９１にはいまだ伝送電力は発生しない。装置各部のイニ
シャライズが完了すると、ＣＰＵ３１は、電力伝送許可
信号ＤＲＶをＰＷＭ制御回路３３に送出して、電力受信
機５側への電力の供給を開始させる制御を行うと共に、
制御信号ＣＴＬをワイヤレスで電力受信機５の刺激発生
回路５６に送出して刺激出力ＳＴＭを開始させる制御を
行う。

【００２５】ＰＷＭ制御回路３３は、イニシャライズを
完了した後でも、ＣＰＵ３１から電力伝送許可信号ＤＲ
Ｖが供給されるまでは、待機状態（ステップＳＰ２，Ｓ
Ｐ１）を保つ一方、ＣＰＵ３１から電力伝送許可信号Ｄ
ＲＶが入力されると、これより、電力伝送制御を開始す
る。まず、今現在のＰＷＭ制御回路３３の出力は、ＴＹ
ＰＥ０のＰＷＭ制御信号ＤＡＴであるか否かが判断され
る（ステップＳＰ３）。今の場合、電力伝送制御を開始
したばかりなので、今現在の出力は、ＴＹＰＥ０のＰＷ
Ｍ制御信号ＤＡＴである。出力が、ＴＹＰＥ０のＰＷＭ
制御信号ＤＡＴであるときは、ＰＷＭ制御回路３３は、
ＴＹＰＥ０の出力よりも一段上のＴＹＰＥ１（＝１００
０００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴを生成してＤラッ
チ回路３４に出力する（ステップＳＰ４）と共に、書き
込み信号ＥＮＡをＤラッチ回路３４に与える（ステップ
ＳＰ９）。Ｄラッチ回路３４は、ＰＷＭ制御回路３３か
ら出力される書き込み信号ＥＮＡの入力タイミングで、
このとき、入力側に存在するＴＹＰＥ１のＰＷＭ制御信
号ＤＡＴを出力に保持する。Ｄラッチ回路３４の出力
（今の場合、ＴＹＰＥ１のＰＷＭ制御信号ＤＡＴ）は、
次の書き込み信号ＥＮＡが与えられるまで、以後の入力
に関係なく、保持される。この結果、図３（ニ）に示す
ように、シフトレジスタ３７からデューティ比１／１６
のスイッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−が、フルブリッジ回
路３８に与えられ、フルブリッジ回路３８がスイッチン
グ信号ＳＷ＋，ＳＷ−の入力タイミングで、スイッチン
グを開始することで、電力送信用コイル３９１には交流
電流が流れ、電力伝送が始まる。

【００２６】ＰＷＭ制御回路３３では、再び上述の判断
（ステップＳＰ２，ＳＰ３）が繰り返されるが、今度
は、今現在のＰＷＭ制御回路３３の出力は、ＴＹＰＥ０
のＰＷＭ制御信号ＤＡＴではなく、ＴＹＰＥ１のＰＷＭ
制御信号ＤＡＴであるので（ステップＳＰ３）、今度
は、電流ステータス信号発生器４０から与えられる電流
ステータス信号ＡＳＴの内容を見て、コイル電流量（電
力送信用コイル３９１を流れる電流量）が過多であるか
否かを判断する（ステップＳＰ５）。ここで、両コイル
３９１，５１１間の距離が、設定値通りであれば、共振
周波数の相互一致の関係が維持されるので、コイル電流
量は過多とはならず、これに対して、両コイル３９１，
５１１間の距離が設定値から離れすぎると、共振周波数
が設定値から大きくずれ、この結果、コイル電流量が過
大となって電力送信機３が破損する虞がある。しかし、
今は、電力伝送制御を開始したばかりであり、発生電力
量も多くないので、コイル電流量過多と判断されるケー
スは少なく、多くは、コイル電流量は過多ではないと判
断される。コイル電流量が過多ではないとの判断がなさ
れると（ステップＳＰ５）、今度は、電圧ステータス信
号発生器５４から与えられる電圧ステータス信号ＶＳＴ
の内容を見て、電力受信機５側の電源電圧値Ｖddが不足
しているか否かが判断される（ステップＳＰ６）。

【００２７】起動直後では、電源電圧Ｖddは、まだ下限
側基準電圧値に達していない場合が多いので、仮に、電
源電圧値Ｖddが不足していると判断されると、ステップ
ＳＰ４へ進み、電力制御量を一段回上げる。今の場合、
ＴＹＰＥ１の出力なので、これよりも一段上のＴＹＰＥ
２（＝１１００００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴを生
成してＤラッチ回路３４に出力する（ステップＳＰ４）
と共に、書き込み信号ＥＮＡをＤラッチ回路３４に与え
る（ステップＳＰ９）。Ｄラッチ回路３４は、ＰＷＭ制
御回路３３から出力される書き込み信号ＥＮＡの入力タ
イミングで、このとき、入力側に存在するＴＹＰＥ２の
ＰＷＭ制御信号ＤＡＴを出力に保持する。Ｄラッチ回路
３４の出力（今の場合、ＴＹＰＥ２のＰＷＭ制御信号Ｄ
ＡＴ）は、次の書き込み信号ＥＮＡが与えられるまで、
以後の入力に関係なく、保持される。これに伴い、図３
（ホ）に示すように、デューティ比２／１６にパルス幅
変調されたスイッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−が、シフト
レジスタ３７からフルブリッジ回路３８に与えられるの
で、電力送信用コイル３９１には電力アップされた交流
電流が流れ、この結果、電力受信機５側では供給電力が
増え、電源電圧Ｖddも一段と昇圧される。

【００２８】上述の処理が繰り返され、電力受信機５側
の電源電圧値Ｖddが不足しているか否かの２度目の判断
（ステップＳＰ６）が行われた結果、まだ電源電圧値Ｖ
ddが不足しているときは、制御量をさらに一段回上げる
（ステップＳＰ４）。今の場合、ＴＹＰＥ２の出力なの
で、これよりも一段上のＴＹＰＥ３（＝１１１００００
０）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴを生成してＤラッチ回路３
４に出力する（ステップＳＰ４）と共に、書き込み信号
ＥＮＡをＤラッチ回路３４に与える（ステップＳＰ
９）。Ｄラッチ回路３４は、ＰＷＭ制御回路３３から出
力される書き込み信号ＥＮＡの入力タイミングで、この
とき、入力側に存在するＴＹＰＥ２のＰＷＭ制御信号Ｄ
ＡＴを出力に保持する。Ｄラッチ回路３４の出力（今回
の場合、ＴＹＰＥ３のＰＷＭ制御信号ＤＡＴ）は、次の
書き込み信号ＥＮＡが与えられるまで、以後の入力に関
係なく、保持される。これに伴い、図３（ヘ）に示すよ
うに、デューティ比３／１６にパルス幅変調されたスイ
ッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−が、シフトレジスタ３７か
らフルブリッジ回路３８に与えられるので、電力送信用
コイル３９１にはさらに電力アップされた交流電流が流
れ、この結果、電力受信機５側では供給電力がますます
増え、電源電圧Ｖddもさらに昇圧される。

【００２９】上述の処理が繰り返され、電力受信機５側
の電源電圧値Ｖddが不足しているか否かの３度目の判断
（ステップＳＰ６）の際にも、二次側の負荷に対して、
いまだ供給電力が不十分なため、なお電源電圧値Ｖddが
不足しているときは、制御量をさらに一段回上げる（ス
テップＳＰ４）。ＣＰＵ３１は、制御信号ＣＴＬにて刺
激発生回路５６を駆動して筋肉や神経に刺激を与える
が、刺激は電流なので電力受信機５の消費電力は増加す
る。すると、電流は増加するが、供給電力には限りがあ
るので、電力受信機５の電源電圧Ｖddが低下するのであ
る。今の場合、ＴＹＰＥ３の出力なので、これよりも一
段上のＴＹＰＥ４（＝１１１１１０００）のＰＷＭ制御
信号ＤＡＴを生成してＤラッチ回路３４に出力する（ス
テップＳＰ４）と共に、書き込み信号ＥＮＡをＤラッチ
回路３４に与える（ステップＳＰ９）。Ｄラッチ回路３
４は、ＰＷＭ制御回路３３から出力される書き込み信号
ＥＮＡの入力タイミングで、このとき、入力側に存在す
るＴＹＰＥ２のＰＷＭ制御信号ＤＡＴを出力に保持す
る。Ｄラッチ回路３４の出力（今回の場合、ＴＹＰＥ４
のＰＷＭ制御信号ＤＡＴ）は、次の書き込み信号ＥＮＡ
が与えられるまで、以後の入力に関係なく、保持される
（図５参照）。これに伴い、図３（ト）に示すように、
デューティ比５／１６にパルス幅変調されたスイッチン
グ信号ＳＷ＋，ＳＷ−が、シフトレジスタ３７からフル
ブリッジ回路３８に与えられるので、電力送信用コイル
３９１にはさらに電力アップされた交流電流が流れ、こ
の結果、伝送電力量がますます増え、電源電圧Ｖddもさ
らに昇圧される。

【００３０】一方、電力受信機５側の電源電圧値Ｖddが
不足しているか否かの３度目の判断（ステップＳＰ６）
の際に、二次側の負荷に対して、供給電力が多くなった
ため、電源電圧値Ｖddが下限側基準電圧値を越え、この
結果、電源電圧値Ｖddが不足していないと判断されたと
きは、今度は、電力受信機５側の電源電圧値Ｖddが超過
しているか否かが判断される（ステップＳＰ７）。超過
していないと判断されたときは、電力消費量と伝送電力
とがバランスされていることなので、Ｄラッチ回路３４
の現在の保持状態を変えずに、上述の処理を繰り返す。
これに対して、ステップＳＰ７において、二次側の負荷
に対して、供給電力が過剰になったことから、電力受信
機５側の電源電圧値Ｖddが超過していると判断されたと
きは、制御量を一段下げる（ステップＳＰ８）。今の場
合、ＴＹＰＥ３の出力なので、これよりも一段下のＴＹ
ＰＥ３（＝１１１０００００）のＰＷＭ制御信号ＤＡＴ
を生成してＤラッチ回路３４に出力する（ステップＳＰ
８）と共に、書き込み信号ＥＮＡをＤラッチ回路３４に
与える（ステップＳＰ９）。Ｄラッチ回路３４は、ＰＷ
Ｍ制御回路３３から出力される書き込み信号ＥＮＡの入
力タイミングで、このとき、入力側に存在するＴＹＰＥ
３のＰＷＭ制御信号ＤＡＴを出力に保持する。Ｄラッチ
回路３４の出力（今回の場合、ＴＹＰＥ３のＰＷＭ制御
信号ＤＡＴ）は、次の書き込み信号ＥＮＡが与えられる
まで、以後の入力に関係なく、保持される。これに伴
い、図３（ヘ）に示すように、デューティ比３／１６に
パルス幅変調されたスイッチング信号ＳＷ＋，ＳＷ−
が、シフトレジスタ３７からフルブリッジ回路３８に与
えられるので、電力送信用コイル３９１には電力ダウン
された交流電流が流れ、この結果、伝送電力量が減少
し、電源電圧Ｖddも降圧される。

【００３１】なお、ステップＳＰ５において、両コイル
３９１，５１１間の距離が設定値から離れすぎると、共
振周波数が設定値から大きくずれ、この結果、コイル電
流量が過大となったときも、制御量を一段下げて調節す
る（ステップＳＰ８）。ＣＰＵ３１は、電力受信機５の
動作を停止させる場合、電力伝送許可信号ＤＲＶの送出
をやめる。すると、ＰＷＭ制御回路３３は、直ちに電力
伝送を停止する（ステップＳＰ２，ＳＰ１）。

【００３２】このように、上記構成によれば、負荷やコ
イル間距離に変動が生じても、変動に追従して、常に、
最適電力を電力受信機に供給できると共に、最適の伝送
電力を電力送信機にて発生できる。したがって、大変使
い勝手の良い装置を提供できる。装置や部品の耐久性を
著しく向上させることができる。また、無用な発熱を防
止でき、電力の無駄を解消できる。

【００３３】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、装置の一
次側及び二次側に限らず、共振回路は、直列共振回路で
も並列共振回路でも良い。ＰＷＭ制御信号は、６種類に
限らず、必要に応じて、増減できる。シフトレジスタ
は、１６ビットのものに限定されない。また、ＰＷＭ制
御回路を始めとする装置各部は、ハードウェア構成でも
ソフトウェア構成でも良い。また、下限側基準電圧値等
の基準値は、電力量の規模に応じて変動するようにして
も良い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の構成に
よれば、負荷やコイル間距離に変動が生じても、変動に
追従して、常に、最適電力を電力受信機に供給できると
共に、最適の伝送電力を電力送信機にて発生できる。し
たがって、大変使い勝手の良い装置を提供できる。装置
や部品の耐久性を著しく向上させることができる。ま
た、無用な発熱を防止でき、電力の無駄を解消できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である電力伝送装置が適用
されたＦＥＳ（機能的電気刺激）装置の電気的構成を示
すブロック図である。

【図２】同ＦＥＳ装置の伝送電力制御の一部を担うシフ
トレジスタの入出力端子を詳細に示す図である。

【図３】同シフトレジスタの動作を説明するためのタイ
ムチャートである。

【図４】同ＦＥＳ装置の動作処理手順（ＰＷＭ制御アル
ゴリズム）を示すフローチャートである。

【図５】同ＦＥＳ装置の制御動作を説明するためのタイ
ムチャートである。

【図６】従来の電力伝送装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

３電力送信機３１ＣＰＵ３３ＰＷＭ制御部（電力制御手段）３４Ｄラッチ回路３６分周器３７シフトレジスタ３８フルブリッジ回路（電力送信用コイル駆動手
段）３９直列共振回路３９１電力送信用コイル３９２コンデンサ４０電流ステータス信号発生器(送信機側ステー
タス情報生成手段) ４１信号送受回路（ステータス情報受信手段）５電力受信機５１並列共振回路５１１電力受信用コイル５１２コンデンサ５４電圧ステータス信号発生器(受信機側ステー
タス情報生成手段) ５５信号送受回路（ステータス情報送信手段）５６刺激発生回路（刺激発生手段）ＤＲＶ電力伝送許可信号ＣＴＬ制御信号ＳＴＭ刺激出力ＤＡＴＰＷＭ制御信号（パルス幅変調された交流
発生信号）ＥＮＡ書き込み信号ＡＳＴ電流ステータス信号（ステータス情報）ＶＳＴ電圧ステータス信号（ステータス情報）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｍ 7/21 8726−5ＨＨ０２Ｍ 7/21 Ｚ (71)出願人 392013648 松木英敏宮城県仙台市太白区八木山本町２−36−４ (72)発明者佐藤耕太郎東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力送信機側の電力送信用コイルと電力
受信機側の電力受信用コイルとの磁気結合により、一次
側の前記電力送信機から二次側の前記電力受信機に非接
触で電力を伝送する電力伝送装置において、二次側の消費電力の状態を検知して当該消費電力に関す
るステータス情報を生成するステータス情報生成手段
と、ステータス情報生成手段によって生成された前記ステー
タス情報に基づいて、前記電力受信機に供給される電力
量を制御するための電力制御手段とを有してなることを
特徴とする電力伝送装置。
【請求項２】電力送信機側の電力送信用コイルと電力
受信機側の電力受信用コイルとの磁気結合により、一次
側の前記電力送信機から二次側の前記電力受信機に非接
触で電力を伝送する電力伝送装置において、前記電力受信機は、二次側の消費電力の状態を検知して
当該消費電力に関するステータス情報を生成する受信機
側ステータス情報生成手段と、該受信機側ステータス情
報生成手段によって生成されたステータス情報を前記電
力送信機にワイヤレスで送出するためのステータス情報
送信手段とを有してなると共に、前記電力送信機は、前記ステータス情報送信手段から送
出された前記ステータス情報をワイヤレスで受信するス
テータス情報受信手段と、該ステータス情報受信手段を
介して入力された前記ステータス情報に基づいて、前記
電力受信機に供給される電力量を制御するための電力制
御手段とを有してなることを特徴とする電力伝送装置。
【請求項３】電力送信機に設けられた電力送信用コイ
ルと電力受信機に設けられた電力受信用コイルとの磁気
結合により、一次側の前記電力送信機から二次側の前記
電力受信機に非接触で電力を伝送する電力伝送装置にお
いて、前記電力受信機は、二次側の消費電力の状態を検知して
当該消費電力に関するステータス情報を生成する受信機
側ステータス情報生成手段と、該受信機側ステータス情
報生成手段によって生成されたステータス情報を前記電
力送信機にワイヤレスで送出するためのステータス情報
送信手段とを有してなると共に、前記電力送信機は、前記ステータス情報送信手段から送
出された前記ステータス情報をワイヤレスで受信するス
テータス情報受信手段と、前記電力送信用コイルを流れ
る電流の状態を検知して当該電流量に関するステータス
情報を生成する送信機側ステータス情報生成手段と、前
記ステータス情報受信手段を介して又は前記送信機側ス
テータス情報生成手段から入力された前記ステータス情
報に基づいて、前記電力受信機に供給される電力量を制
御するための電力制御手段とを有してなることを特徴と
する電力伝送装置。
【請求項４】前記受信機側ステータス情報生成手段
は、二次側の電源電圧が予め設定された基準電圧よりも
低いときは、供給電力が不足している旨のステータス情
報を生成することを特徴とする請求項２又は３記載の電
力伝送装置。
【請求項５】前記受信機側ステータス情報生成手段
は、二次側の電源電圧が予め設定された第１の基準電圧
よりも低いときは、供給電力が不足している旨のステー
タス情報を生成すると共に、二次側の電源電圧が予め設
定された第２の基準電圧よりも高いときは、供給電力が
過多である旨のステータス情報を生成することを特徴と
する請求項２又は３記載の電力伝送装置。
【請求項６】前記送信機側ステータス情報生成手段
は、前記電力送信用コイルを流れる電流量が予め設定さ
れた基準値よりも多いときは、コイル電流量が過多であ
る旨のステータス情報を生成することを特徴とする請求
項３記載の電力伝送装置。
【請求項７】前記電力制御手段は、前記ステータス情
報受信手段を介して又は前記送信機側ステータス情報生
成手段から入力された前記ステータス情報に基づいて、
パルス幅変調された交流発生信号を生成して電力送信用
コイル駆動手段に出力すると共に、該電力送信用コイル
駆動手段は、入力された交流発生信号に基づいて、前記
電力送信用コイルを駆動することを特徴とする請求項
２，３，４，５又は６記載の電力伝送装置。
【請求項８】前記電力受信機には、筋肉又は神経を電
気刺激するための刺激発生手段が備えられてなることを
特徴とする請求項２，３，４，５，６又は７記載の電力
伝送装置。