特許 7419021 無線装置

(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】2024-01-12

(45)【発行日】2024-01-22

(54)【発明の名称】無線装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20240115BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019196439

(22)【出願日】2019-10-29

(65)【公開番号】P2021072670

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2022-10-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】庄司 勇輝

【審査官】岩井 一央

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０６３６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３５０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６２１９４９５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３４９５７３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ １／００－３／１２

Ｂ６０Ｌ ７／００－１３／００

Ｂ６０Ｌ １５／００－５８／４０

Ｂ６０Ｍ １／００－７／００

Ｈ０１Ｌ ２１／６７－２１／６８３

Ｈ０１Ｌ ２３／３２

Ｈ０２Ｊ ７／００－７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４－７／３６

Ｈ０２Ｊ ５０／００－５０／９０

Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力を無線送電する送電コイルと、
前記送電コイルの電力を無線受電する受電コイルと、
第１のスイッチング信号を基に、前記送電コイルに電圧を印加するスイッチ回路と、
第２のスイッチング信号を基に、前記受電コイルから出力される電圧を整流し、前記整流された電圧を負荷に印加する整流回路と、
前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号に位相差を与える第１の移相回路とを有し、
前記第１の移相回路は基準周波数信号を移相し、前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号とのうちの少なくとも１つを出力することを特徴とする無線装置。

【請求項2】

前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号は、周期が同じであることを特徴とする請求項１に記載の無線装置。

【請求項3】

前記整流回路は、複数の双方向スイッチを有することを特徴とする請求項１または２に記載の無線装置。

【請求項4】

前記複数の双方向スイッチの駆動信号は、貫通電流を防止するためのデッドタイムが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の無線装置。

【請求項5】

前記スイッチ回路は、フルブリッジ型、ハーフブリッジ型、またはプッシュプル型であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の無線装置。

【請求項6】

前記スイッチ回路は、ＺＣＳ（Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作またはＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の無線装置。

【請求項7】

前記受電コイルと前記整流回路との間に設けられる共振回路をさらに有することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の無線装置。
。

【請求項8】

前記第１の移相回路に基準周波数信号を出力する第１の基準周波数源と、
前記第２のスイッチング信号により前記整流回路を駆動する駆動回路と、
前記第１の基準周波数源と周波数同期し、前記駆動回路に基準周波数信号を出力する第２の基準周波数源とをさらに有することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の無線装置。

【請求項9】

基準周波数信号を出力する基準周波数源と、
前記基準周波数信号を入力し、前記第１の移相回路に信号を出力する第１のＰＬＬ回路と、
前記基準周波数信号を入力する第２のＰＬＬ回路と、
前記第２のＰＬＬ回路の出力信号を移相する第２の移相回路と、
前記第２の移相回路の出力信号を基に、前記整流回路に前記第２のスイッチング信号を出力する駆動回路とをさらに有することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の無線装置。

【請求項10】

電力を無線送電する送電コイルと、
前記送電コイルの電力を無線受電する受電コイルと、
第１のスイッチング信号を基に、前記送電コイルに電圧を印加するスイッチ回路と、
第２のスイッチング信号を基に、前記受電コイルから出力される電圧を整流し、前記整流された電圧を負荷に印加する整流回路と、
前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号に位相差を与える第１の移相回路と、
基準周波数信号を出力する基準周波数源と、
前記基準周波数信号を分周および移相する第１の分周／移相回路と、
前記基準周波数信号を分周および移相する第２の分周／移相回路と、
前記第１の分周／移相回路の出力信号を入力する第１のＰＬＬ回路と、
前記第２の分周／移相回路の出力信号を入力する第２のＰＬＬ回路と、
前記第２のＰＬＬ回路の出力信号を分周および移相する第３の分周／移相回路と、
前記第３の分周／移相回路の出力信号を基に、前記整流回路に前記第２のスイッチング信号を出力する駆動回路とをさらに有し、
前記第１の移相回路は、前記第１のＰＬＬ回路の出力信号を分周および移相した信号を前記第１のスイッチング信号として出力することを特徴とする無線装置。

【請求項11】

電力を無線送電する送電コイルと、
前記送電コイルの電力を無線受電する受電コイルと、
第１のスイッチング信号を基に、前記送電コイルに電圧を印加するスイッチ回路と、
第２のスイッチング信号を基に、前記受電コイルから出力される電圧を整流し、前記整流された電圧を負荷に印加する整流回路と、
前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号に位相差を与える第１の移相回路と、
基準周波数信号を出力する基準周波数源と、
前記基準周波数信号を分周および移相する第１の分周／移相回路と、
前記第１の分周／移相回路の出力信号を入力する第１のＰＬＬ回路と、
前記第１のＰＬＬ回路の出力信号を分周および移相する第２の分周／移相回路と、
前記第２の分周／移相回路の出力信号を基に、前記整流回路に前記第２のスイッチング信号を出力する駆動回路とをさらに有し、
前記第１の移相回路は、前記第１のＰＬＬ回路の出力信号を分周および移相した信号を前記第１のスイッチング信号として出力することを特徴とする無線装置。

【請求項12】

前記負荷は、モータであることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の無線装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線装置に関する。

【背景技術】

【0002】

モータに電力を供給して駆動させるシステムがある。例えば半導体露光装置では、ウエハを露光位置に移動させるためのステージ上に、ウエハ上にパターンを形成するためにウエハを微細移動させるモータが搭載されており、そのモータを駆動するための電力を供給する給電ケーブルがステージ上に接続されている。このケーブルは、ステージの移動に併せて動くため、ケーブルの張力がステージの位置決め精度に影響を与える。そこで、モータ駆動のための電力伝送を無線化することが考えられている。

【0003】

特許文献１には、車輪を無線で駆動するモータの構成が記載されている。無線でモータ駆動するためには、電力伝送だけでなく、モータ駆動回路や整流回路の制御信号も無線で送る必要があるため、電波を用いた無線通信を行っている。この通信を用いて可動側にあるモータ駆動回路へ制御信号を送ることで、モータ駆動回路の制御を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６２１９４９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、モータ等の負荷部に印加する電圧を高精度に制御することが求められている。例えば半導体露光装置において、ステージの移動を高速かつ高精度に行うために、モータ制御の高速化が求められる。特許文献１に記載の方法は、電波を用いた無線通信に数百μｓ～数ｍｓの遅延が生じるため、モータ駆動回路への制御信号を数百μｓ以下の周期で送ってモータ制御を高速化することは難しい。

【0006】

本発明の目的は、無線送電される電力に基づく負荷への電圧印加の精度を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の無線装置は、電力を無線送電する送電コイルと、前記送電コイルの電力を無線受電する受電コイルと、第１のスイッチング信号を基に、前記送電コイルに電圧を印加するスイッチ回路と、第２のスイッチング信号を基に、前記受電コイルから出力される電圧を整流し、前記整流された電圧を負荷に印加する整流回路と、前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号に位相差を与える第１の移相回路とを有し、前記第１の移相回路は基準周波数信号を移相し、前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号とのうちの少なくとも１つを出力する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、無線送電される電力に基づく負荷への電圧印加の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】可動ステージに無線装置を適用した場合のシステム構成図である。

【図2】無線装置の構成例を示す図である。

【図3】整流回路の構成例を示す図である。

【図4】入出力電圧の実測例を示す図である。

【図5】無線装置の構成例を示す図である。

【図6】無線装置の構成例を示す図である。

【図7】無線装置の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による半導体露光装置などの可動ステージに適用した無線装置の構成例を示す図である。無線装置は、送電部１００と、受電部２００と、送電コイル１０１と、受電コイル２０１を有する。

【0011】

受電部２００は、可動ステージ４０１の上に配置され、送電部１００に対して物理的に移動する。送電部１００は、可動ステージ４０１の上ではなく、その可動ステージ４０１を動かす可動ステージ動力源４０２が配置される固定側に配置されており、自身は動かない。

【0012】

送電部１００と受電部２００との間には、無線で給電および通信するための送電コイル１０１と受電コイル２０１がある。送電コイル１０１と受電コイル２０１は、互いに非接触である。受電コイル２０１も可動ステージ４０１の上に配置されており、可動ステージ４０１と共に移動する。送電コイル１０１を可動ステージ４０１の移動範囲をカバーするように長尺にすることで、可動ステージ４０１が任意の位置に移動しても、受電部２００内のモータに非接触で給電することができる。

【0013】

送電コイル１０１の形状は、例えば横長の楕円形のコイルであり、受電コイル２０１は送電コイル１０１に比べて短尺なコイルである。受電コイル２０１が長尺であり、送電コイル１０１が短尺でもよい。

【0014】

図２は、第１の実施形態による無線装置３００の構成例を示すブロック図である。無線装置３００は、送電部１００と、受電部２００と、送電コイル１０１と、受電コイル２０１を有する。送電コイル１０１と受電コイル２０１の間は、物理的には接続されておらず、送電コイル１０１から受電コイル２０１へ電力が非接触で送られる。送電部１００と受電部２００の間も、物理的に接続されていない。

【0015】

送電部１００は、移相回路１０２と、コントローラ１０３と、電源１０４と、基準周波数源１０５と、スイッチ回路１０６を有する。受電部２００は、基準周波数源２０２と、受電回路２０４と、ゲート駆動回路２０５と、整流回路２０６と、モータ４００を有する。

【0016】

電源１０４は、モータ４００を駆動する電力源である。スイッチ回路１０６は、基準周波数源１０５が生成する基準周波数信号を移相回路１０２により移相したスイッチング制御信号によってスイッチング素子を駆動し、電源１０４から供給される電力を高周波スイッチングし、無線電力伝送可能な高周波電力に変換する。このとき、スイッチング周波数は、コントローラ１０３の指令信号の周期、すなわちモータ制御周波数よりも高い。

【0017】

コントローラ１０３は、光学センサなどから得られる現在のモータ４００の位置情報を基に次の位置の指令を出す。具体的には、コントローラ１０３は、モータ４００の推力を決める電源１０４の出力電圧振幅値とモータの動く向きを決めるモータ印加電圧符号情報を出力する。出力電圧振幅値は、コントローラ１０３から電源１０４へ指令信号を送ることで、電源１０４が出力電圧振幅値を指令された値に変える。モータ印加電圧符号情報は、コントローラ１０３から移相回路１０２に出力される。基準周波数源１０５は、基準周波数信号を移相回路１０２に出力する。移相回路１０２は、コントローラ１０３が出力するモータ印加電圧符号情報を基に、基準周波数源１０５が出力する基準周波数信号を移相した信号を第１のスイッチング信号としてスイッチ回路１０６に出力する。

【0018】

スイッチ回路１０６は、第１のスイッチング信号（電圧Ｆ３）を基に、送電コイル１０１に対して、モータ制御に必要な情報を含んだ送電電圧（電流）を供給（印加）する。送電コイル１０１は、電力を無線送電する。送電コイル１０１と非接触で、かつ電磁気的に結合している受電コイル２０１は、送電コイル１０１の電磁界によって励振され、高周波電力を発生する。受電コイル２０１は、送電コイル１０１の電力を無線受電する。

【0019】

受電回路２０４は、受電コイル２０１と整流回路２０６との間に設けられる。受電回路２０４は、インダクタとコンデンサを含んだ共振回路で形成されており、その共振周波数は、スイッチ回路１０６のスイッチング動作周波数と略等しい。受電回路２０４の出力は、整流回路２０６に接続される。

【0020】

整流回路２０６は、ゲート駆動回路２０５の第２のスイッチング信号（電圧Ｆ６）を基に、受電回路２０４の出力電圧を整流し、整流された電圧をモータ４００に印加する。ここで、第２のスイッチング信号は、基準周波数源２０２に周波数同期した信号である。基準周波数源２０２は、基準周波数源１０５と周波数同期し、ゲート駆動回路２０５に基準周波数信号を出力する。ゲート駆動回路２０５は、基準周波数源２０２の基準周波数信号を基に、第２のスイッチング信号により整流回路２０６を駆動する。なお、基準周波数源１０５と基準周波数源２０２が周波数同期しているならば、整流回路２０６の出力電圧（電力）は、移相回路１０２の移相量によって制御することが可能となる。モータ４００は、負荷であり、整流回路２０６の出力電圧により、回転する。

【0021】

基準周波数源２０２は、基準周波数源１０５の基準周波数信号を電磁界結合通信や光結合通信によって非接触伝送する手段によって置き換えることができる。例えば、レーザや指向性の鋭い発光ダイオードを固定側の基準周波数源１０５に配置し、ステージの移動方向に沿って発光させておき、その光路上に受光面が位置するようにフォトダイオードなどの受光素子を可動側の基準周波数源２０２に配置すればよい。本実施形態における電磁界結合には、電界結合と磁界結合の両方が含まれる。すなわち、信号の非接触伝送は電界結合によって行われてもよいし、磁界結合によって行われてもよいし、電界結合と磁界結合の両方によって行われてもよい。

【0022】

また、整流回路２０６は、アクティブスイッチング素子を用いた同期整流とすることで、ダイオードでは整流できない数ｍＶの小さな電圧でも整流でき、微小電圧をモータ４００に印加することができるため、モータ４００を高精度に制御可能となる。

【0023】

なお、送電コイル１０１と受電コイル２０１は、プリント基板の配線で形成してもよい。プリント基板に磁性シートを貼付して、磁界結合時の損失を低減してもよい。また、送電コイル１０１と受電コイル２０１は、フェライト等の磁性体とリッツ線等の巻線を用いた巻線トランスでもよい。

【0024】

次に、無線装置３００の動作原理を数学的観点で説明する。図２中の電圧Ｆ１～Ｆ７は、各部の電圧波形の関数で表される。電圧Ｆ１は、電源１０４の出力電圧であり、モータ駆動に必要な電圧の絶対値であり、［数１］で表すことができる。

【0025】

【数1】

【0026】

電圧Ｆ４は、基準周波数源１０５の出力電圧であり、［数２］で表される。なお、電圧Ｆ４は、矩形波を用いてもよい。

【0027】

【数2】

【0028】

電圧Ｆ３は、コントローラ１０３の指令に従って、移相回路１０２によって位相差φだけ移相されたスイッチ回路１０６の制御信号であり、［数３］で表される。

【0029】

【数3】

【0030】

スイッチ回路１０６は、電圧Ｆ１とＦ３とを時間軸上で掛け合わせる掛け算器として考えることができ、その出力電圧Ｆ２は、［数４］で与えられる。

【0031】

【数4】

【0032】

この電圧Ｆ２は、送電コイル１０１から受電コイル２０１へ電磁界結合を介して伝搬し、受電回路２０４によって力率調整がなされた後、整流回路２０６へ入力される。なお、便宜上、ここでは、送電コイル１０１と受電コイル２０１は、電圧比１：１で理想的に結合していると仮定する。整流回路２０６の入力電圧Ｆ５は、［数５］で与えられる。

【0033】

【数5】

【0034】

ここで、θは、送電コイル１０１から整流回路２０６の直前に至るまでの伝搬遅延や、受電回路２０４の共振のずれによる位相差の総和である。電圧Ｆ６は、整流回路２０６の駆動信号であり、［数６］で表すことができる。なお、電圧Ｆ６は、必ずしも、電圧Ｆ４の位相と同期している必要はないが、ここでは、簡単のため位相差０としている。移相回路１０２は、電圧Ｆ３と電圧Ｆ６に位相差φを与えている。電圧Ｆ３と電圧Ｆ６は、周期が同じである。

【0035】

【数6】

【0036】

整流回路２０６は、スイッチ回路１０６と同様に、掛け算器として考えることができるので、その出力電圧Ｆ７は、［数７］で与えられる。

【0037】

【数7】

【0038】

ここで、［数７］について、第１項目は、掛け算により発生する高調波成分を意味している。整流回路２０６の出力には、電力伝送周波数に対して十分低いインピーダンスを示す平滑用コンデンサが実装されるため、高調波成分は無視できる程度に減衰する。結果として、モータ４００の駆動電圧は、第２項目で表される。したがって、モータ４００の駆動電圧Ｆ７は、［数８］で与えられる。

【0039】

【数8】

【0040】

［数８］は、移相回路１０２の移相量φによって、モータ制御電圧Ｆ７を正弦的に制御可能であることを示している。なお、［数８］の最大値は、電源１０４の１／２と読み取れるが、これはスイッチ回路１０６を正弦波駆動した場合の結果であり、デューティ比が５０%の理想矩形波で駆動したと仮定すれば、［数８］の最大値は電源１０４と同一になる。したがって、その場合のモータ駆動電圧Ｆ７’は、［数９］として書き換えられる。

【0041】

【数9】

【0042】

以上で、無線装置３００の動作を簡易的ではあるが、数学的に表すことができた。以下に、モータ４００の正転・逆転制御を行う具体例を示す。移相量φを０とπで交互に切り替えたとき、電圧Ｆ７’は、［数１０］で与えられる。

【0043】

【数10】

【0044】

［数１０］より、正転・逆転制御を行うためには、電源１０４の入力電圧の値や伝搬遅延θにかかわらず、移相量φを０とπで切り替えれば良いことが分かる。例えば、移相量が０のとき、モータ駆動電圧Ｆ７’が１Ｖだったとすると、移相量がπに変化すると、モータ駆動電圧Ｆ７’は－１Ｖに変化する。

【0045】

以上の動作を言い換えると、基準周波数源１０５と基準周波数源２０２が周波数同期してさえいれば、制御信号を非接触伝送することなく、モータ４００の推力・正転・逆転を制御することが可能となる。モータ４００の駆動を高精度に実施するためには、電源１０４の出力電圧に対するモータ駆動電圧Ｆ７’の変化が、電圧値によらず一定の割合で比例関係になっていることが望ましい。何らかの要因で、この比例関係が崩れる条件が存在する場合には、移相回路１０２において、移相量を微調整することで、比例関係を改善することが可能である。

【0046】

また、［数１０］において、θが０であれば、モータ駆動電圧Ｆ７’の絶対値は、電源１０４の出力電圧Ａと等しくなり、最も理想的である。この条件を満たすために、整流回路２０６の出力電圧と電源１０４の出力電圧の対応を予め測定し、その対応が最も適した状態になるように、移相回路１０２の初期位相を調整すると良い。

【0047】

図３は、整流回路２０６の構成例を示す図である。一般的な同期整流回路は、スイッチング素子を４個使用して実現するが、この構成の場合、正負両方に変化する整流出力を出力することができない。なぜなら、スイッチ素子にはボディーダイオードやそれと等価の寄生素子が存在し、トランジスタのドレイン－ソース間に逆バイアスがかかると、ゲートの駆動状態にかかわらず、ドレイン－ソース間が導通状態になってしまうためである。そのため、整流回路２０６は、１つのゲート駆動回路につき２つのスイッチング素子で構成される複数の双方向スイッチを有する。この構成とすることで、ゲート駆動回路がオン制御を実施しない限り、スイッチング素子が導通することはなく、正負に両方に変化する整流出力を出力することが可能となる。なお、ソース－ゲート間の駆動電源は、絶縁電源等によって構成し、各ソース電位を基準として、５～１０Ｖ程度の電圧を供給可能な浮動電源から供給することで実現できる。

【0048】

次に、整流回路２０６の動作を説明する。基本的には、整流回路２０６の出力電圧の大小・正負にかかわらず、ゲート駆動回路２０５が基準周波数源１０５と同じ周波数で各双方向スイッチを制御すれば、機能要件を達成できる。具体的には、基準周波数源１０５と同じ周波数で、ある半周期の間は整流回路２０６の４つの双方向スイッチのうち左上と右下をオンとし、左下と右上をオフとし、次の半周期の間は前述の逆の動作に切り替えれば良い。この動作を繰り返しているうちに、移相回路１０２の移相量φが変化すれば、その移相量φに応じた整流出力電圧Ｆ７’が得られることは先に述べたとおりである。

【0049】

なお、このゲート駆動シーケンスにおいて、例えば、右上と右下の双方向スイッチが同時にオン状態となると、貫通電流が流れ、大きな損失を生じる。場合によっては、この損失によって、双方向スイッチが損傷する恐れがあり、好ましくない。したがって、双方向スイッチの切り替えタイミングにおいて、ゲート駆動信号に、いわゆるデッドタイムを挿入し、貫通電流を避ける対策が必要である。複数の双方向スイッチの駆動信号は、貫通電流を防止するためのデッドタイムが設けられる。デッドタイムの挿入は、周波数同期に対して何ら影響を与えないため、整流動作に支障を与えるものではない。なお、整流回路２０６は、フルブリッジ型で説明したが、センタータップ型でもよい。その場合、受電コイル２０１をセンタータップ型にする必要があり、配線が複雑化するが、整流回路２０６のスイッチング素子の数を４つに減らすことができる。

【0050】

このようなシンプルな回路構成で正負の電圧を出力可能な整流回路２０６を実現できるのは、無線装置３００の小型化の観点で非常にメリットが大きい。加えて、整流回路２０６の機能要件を満たすために必要な条件は、基準周波数源１０５と周波数同期した制御信号で駆動されることだけであり、比較的容易に実現することができる。一方で、一般的なモータ制御信号はＰＷＭ信号である。高精度で高速なＰＷＭ駆動を実現するために必要な情報を、低遅延で非接触伝送するためには、その伝送システムが複雑化し、また高速化の上限を律速する主要因になる。

【0051】

図４は、電源１０４の出力電圧に対するモータ４００への印加電圧を測定した入出力電圧の測定結果である。横軸が電源１０４の出力電圧、すなわち入力電圧であり、縦軸がモータ４００への印加電圧、すなわち出力電圧である。移相回路１０２の移相機能によって出力電圧を正電圧と負電圧で切り替え、両方の電位について測定を実施した。図４には、併せて入出力電圧が一致した場合の理想曲線も描いている。スイッチング周波数は４ＭＨｚであり、３ｍＨのインダクタを疑似負荷としてモータ４００の代わりに接続している。０Ｖ～３０Ｖまでの任意の電圧を無線で給電できている。理想曲線より出力電圧が低くなっている部分がある。その部分は、図４の測定結果を基に、電圧の低下分だけ電源１０４の出力電圧を上げるようにコントローラ１０３から電源１０４への出力電圧振幅の指令値を補正するか、移相回路１０２によって移相量を調整することで理想曲線に近づけることができる。この結果により、無線装置３００の実用性が示された。

【0052】

無線装置３００は、無線で給電を行うモータ駆動回路において、モータ制御の高速化、および可動側回路の小型軽量化を実現することができる。

【0053】

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、無線電力伝送に用いるスイッチング周波数と基準周波数源の周波数を任意に設定しつつ、第１の実施形態の動作原理を満たすための無線装置３００について述べる。

【0054】

図５（ａ）は、第２の実施形態による無線装置３００の構成例を示す図である。図５（ａ）は、図２に対して、基準周波数源２０２を削除し、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路１０７，２０７および移相回路２０８を追加したものである。図５（ａ）中のｆ１～ｆ３は、各部における信号の周波数を示している。

【0055】

無線電力伝送に用いるスイッチング周波数は、アンテナ形状や送電電力、入力電圧によってさまざまな値を取りうる。また、そのスイッチング周波数は、１０～１００ｋＨｚの精度で調整する必要がある。基準周波数源１０５として水晶振動子やＭＥＭＳ発振器等が用いられるが、これらのデバイスは離散的な周波数で製品化されており、細かな精度で出力周波数を可変するような用途には向いていない。このような課題解決のために、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路１０７および２０７が用いられる。

【0056】

第２の実施形態では、基準周波数源１０５として水晶振動子等を使用する。送電部１００中のＰＬＬ回路１０７と受電部２００中のＰＬＬ回路２０７は、基準周波数源１０５の出力信号を共有する。２つのＰＬＬ回路１０７および２０７の出力周波数ｆ２の設定値を、無線電力伝送に適した値として共通に設定することで、環境に応じた柔軟な設計が可能となる。ＰＬＬ回路１０７の出力信号は移相回路１０２に入力され、ＰＬＬ回路２０７の出力信号は移相回路２０８に入力される。

【0057】

図５（ａ）は、図２に対して、受電部２００にも移相回路２０８を追加している。受電部２００の移相回路２０８は、送電部１００の移相回路１０２と同様の処理を実施する。移相回路２０８の出力信号は、ゲート駆動回路２０５に入力される。移相回路２０８は、受電部２００が受電している電圧又は電流波形を取得し、［数５］中のθを検出し、これを所望の値に調整しようとする場合に有用である。

【0058】

基準周波数源１０５は、基準周波数信号を出力する。ＰＬＬ回路１０７は、基準周波数信号を入力し、移相回路１０２に信号を出力する。ＰＬＬ回路２０７は、基準周波数信号を入力する。移相回路２０８は、ＰＬＬ回路２０７の出力信号を移相する。ゲート駆動回路２０５は、移相回路２０８の出力信号を基に、整流回路２０６に第２のスイッチング信号を出力する。

【0059】

移相回路１０２と移相回路２０８は、ＣＲローパスフィルタと波形整形回路を組み合わせたアナログ回路方式で実現することができ、または、高速なクロックで駆動しているシフトレジスタの出力タップ位置を変更することでも実現できる。移相回路１０２と移相回路２０８は、シフトレジスタを用いる場合、出力信号のジッタが懸念される。そのため、移相回路１０２と移相回路２０８は、シフトレジスタの駆動クロックが電力伝送周波数に比べて十分に速い（数１０ＭＨｚ～数ＧＨｚ）、もしくは、電力伝送周波数の整数倍でかつ、位相同期していることが望ましい。

【0060】

スイッチ回路１０６の回路トポロジーとしては、フルブリッジ型、ハーフブリッジ型、またはプッシュプル型が採用される。移相回路１０２の出力信号は、上記の各回路トポロジーの駆動に適した形態に適宜変更する必要がある。例えば、ハーフブリッジ型を駆動する場合には、デッドタイムを挿入する必要がある。図５（ｂ）は、移相回路１０２の出力信号と、ハーフブリッジ型のスイッチ回路１０６の駆動のためにデッドタイムが挿入された駆動信号の関係を示す。図５（ｂ）からわかるように、デッドタイムが挿入されたとしても、スイッチ回路１０６の駆動信号の周期は移相回路１０２の周期と一致して保存されているため、スイッチ回路１０６の駆動信号と整流回路２０６の駆動信号は周波数同期可能である。なお、スイッチ回路１０６は、電力変換効率の向上を目的として、ＺＣＳ（Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作またはＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作するように、スイッチ回路１０６の定数を設計すると良い。

【0061】

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態による無線装置３００の構成例を示す図である。第３の実施形態においては、図５（ａ）の構成に対して、さらに機能を拡張し、より設計の柔軟性を向上させるとともに、一般的な集積回路（マイクロコントローラやＦＰＧＡ）の内蔵機能を利用するのに適した手法を述べる。具体的には、図６は、図５（ａ）に対して、分周／移相回路１０８、１０９、２０３および２０９を追加し、コスト制約や回路規模を鑑みて、各部に適した分周比または移相量を設定する。

【0062】

分周／移相回路１０８および２０９は、それぞれ、図５（ａ）の移相回路１０２および２０８の代わりに設けられる。基準周波数源１０５の出力信号は、分周／移相回路１０９を介してＰＬＬ回路１０７に出力される。また、基準周波数源１０５の出力信号は、分周／移相回路２０３を介してＰＬＬ回路２０７に出力される。

【0063】

基準周波数源２０２は、基準周波数信号を出力する。分周／移相回路１０９は、基準周波数信号を分周および移相する。分周／移相回路２０３は、基準周波数信号を分周および移相する。ＰＬＬ回路１０７は、分周／移相回路１０９の出力信号を入力する。ＰＬＬ回路２０７は、分周／移相回路２０３の出力信号を入力する。分周／移相回路２０９は、ＰＬＬ回路２０７の出力信号を分周および移相する。ゲート駆動回路２０５は、分周／移相回路２０９の出力信号を基に、整流回路２０６に第２のスイッチング信号を出力する。分周／移相回路１０８は、ＰＬＬ回路１０７の出力信号を分周および移相した信号を第１のスイッチング信号としてスイッチ回路１０６に出力する。

【0064】

第３の実施形態の動作条件も、第１の実施形態と同様に、スイッチ回路１０６のスイッチング信号と整流回路２０６のゲート駆動信号が周波数同期していることである。したがって、ＰＬＬ回路による周波数逓倍比と分周回路による分周比の総和が、送電部１００と受電部２００で一致していれば良いことになる。なお、分周／移相回路２０３、２０９やＰＬＬ回路２０７は、必ずしも受電部２００中に物理的に配置されている必要はなく、送電部１００内に配置した方が容易に制御できる等のメリットがあるならば、送電部１００内に配置されても良い。又は、この逆で、分周回路とＰＬＬ回路は、受電部２００内に集約しても良い。

【0065】

図６の実用的な周波数関係を示す。基準周波数源１０５の出力周波数ｆ３は、数１０kＨｚ～数１０ＭＨｚが適している。この周波数ｆ３の信号は、分周／移相回路１０９および２０３により、ＰＬＬ回路１０７および２０７の仕様に合わせて適宜分周され、ＰＬＬ回路１０７および２０７に入力される。

【0066】

ＰＬＬ回路１０７および２０７は、先の分周された基準信号を基にして、数１０～数ＧＨｚの基準周波数信号（図６中のｆ２ｔとｆ２ｒ）を生成する。この基準周波数信号は、分周／移相回路１０８および２０９によって分周・移相され、周波数同期したスイッチング信号ｆ１が得られる。スイッチング信号ｆ１は、スイッチ回路１０６および整流回路２０６に入力される。周波数ｆ２ｔとｆ２ｒは、数１０～数ＧＨｚであり、それが分周されるというプロセスを通すことで、第２の実施形態で述べたジッタ生成の懸念を排除することができる。上記の機能は、一般的なマイクロコントローラやＦＰＧＡの内蔵機能として提供されている。これらを利用することで、使用部品数を削減し、小型化や低コスト化、そして、パラメータをプログラムで柔軟に変更できる拡張性を享受できる。

【0067】

ＰＬＬ回路と移相回路は、マイクロコントローラのタイマ機能、またはＦＰＧＡにより構成することができる。また、ＰＬＬ回路と移相回路は、カウンタロジック回路や分周回路により構成することができる。

【0068】

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、ＰＬＬ回路を送電部１００または受電部２００のどちらか一方のみに配置する例を示す。図７は、送電部１００にのみＰＬＬ回路１０７を配置した場合の構成図である。図７は、図６に対して、受電部２００の分周／移相回路２０３，２０９およびＰＬＬ回路２０７を削除し、送電部１００に分周／移相回路１１０を追加したものである。分周／移相回路１１０は、ＰＬＬ回路１０７の出力信号を入力し、分周・移相した信号をゲート駆動回路２０５に出力する。

【0069】

基準周波数源１０５は、基準周波数信号を出力する。分周／移相回路１０９は、基準周波数信号を分周および移相する。ＰＬＬ回路１０７は、分周／移相回路１０９の出力信号を入力する。分周／移相回路１１０は、ＰＬＬ回路１０７の出力信号を分周および移相する。ゲート駆動回路２０５は、分周／移相回路１１０の出力信号を基に、整流回路２０６に第２のスイッチング信号を出力する。分周／移相回路１０８は、ＰＬＬ回路１０７の出力信号を分周および移相した信号を第１のスイッチング信号としてスイッチ回路１０６に出力する。

【0070】

第４の実施形態の動作条件も、第１の実施形態と同様に、スイッチ回路１０６のスイッチング信号と整流回路２０６のゲート駆動信号が周波数同期していることである。第４の実施形態は、制御信号の生成を一つの集積回路に統一できるため、設計（制御ソフトウェア設計）が容易になるメリットがある。一方で、受電部２００の移相量を変更したい場合には、送電部１００に対して受電部２００の状態をフィードバックした上で、移相量の変更を要求する必要がある。このフィードバックの遅延が問題にならない場合やフィードバックするための手段を設けることが容易な場合には有用である。

【0071】

第１～第４の実施形態によれば、無線装置３００は、無線で給電を行い、モータ４００を駆動することができる。無線装置３００は、制御信号の伝送が不要であるので、モータ４００の制御の高速化、可動側回路の小型軽量化を実現することができる。無線装置３００は、高速化を妨げる要因であった、制御信号の伝送遅延の影響が消え、モータ４００の制御の高速化を実現できる。

【0072】

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

【符号の説明】

【0073】

１０１ 送電コイル、１０２ 移相回路、１０３ コントローラ、１０４ 電源、１０５ 基準周波数源、１０６ スイッチ回路、２０１ 受電コイル、２０２ 基準周波数源、２０４ 受電回路、２０５ ゲート駆動回路、２０６ 整流回路、４００ モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】