特許 7566475 無線電力伝送システム

(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】2024-10-04

(45)【発行日】2024-10-15

(54)【発明の名称】無線電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/70 20160101AFI20241007BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20241007BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20241007BHJP

   H02M 7/21 20060101ALI20241007BHJP

【ＦＩ】

H02J50/70

H02J50/40

H02J50/12

H02M7/21 A

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020040787

(22)【出願日】2020-03-10

(65)【公開番号】P2021145400

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-03-01

(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】江口 正

【審査官】白井 孝治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１７６６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１８９９５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２０８１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３５６７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ５０／００～５０／９０

Ｈ０２Ｍ ７／００～ ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の送電コイルと、
第１の直流電圧を第１の周波数でスイッチングした電圧を前記第１の送電コイルに印加する第１のスイッチング回路と、
前記第１の送電コイルから電力を無線受電する第１の受電コイルと、
前記第１の受電コイルの電圧を前記第１の周波数でスイッチングすることにより整流する第１の同期整流器と、
第２の送電コイルと、
第２の直流電圧を前記第１の周波数とは異なる第２の周波数でスイッチングした電圧を前記第２の送電コイルに印加する第２のスイッチング回路と、
前記第２の送電コイルから電力を無線受電する第２の受電コイルと、
前記第２の受電コイルの電圧を前記第２の周波数でスイッチングすることにより整流する第２の同期整流器と、
前記第１の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第１の周波数と前記第２の周波数の差周波数の成分を減衰させる第１のフィルタと、
前記第２の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第１の周波数と前記第２の周波数の差周波数の成分を減衰させる第２のフィルタと
を有することを特徴とする無線電力伝送システム。

【請求項2】

前記第１の同期整流器と前記第２の同期整流器は、それぞれ、双方向スイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。

【請求項3】

前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタは、少なくとも１つのコンデンサから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項4】

前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタは、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項5】

前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタは、バンドエリミネーションフィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項6】

前記第１のフィルタは前記第１の同期整流器の後に接続され、前記第２のフィルタは前記第２の同期整流器の後に接続されることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。

【請求項7】

前記第１のフィルタはさらに、前記第１の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第１の周波数の成分を減衰させ、
前記第２のフィルタはさらに、前記第２の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第２の周波数の成分を減衰させることを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項8】

前記第１の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第１の周波数の成分を減衰させる第３のフィルタと、
前記第２の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第２の周波数の成分を減衰させる第４のフィルタとをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項9】

前記第１の送電コイルの長手方向の長さは、前記第１の受電コイルの長手方向の長さより長く、
前記第２の送電コイルの長手方向の長さは、前記第２の受電コイルの長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。

【請求項10】

前記第１の受電コイルは、前記第１の送電コイルの長手方向に移動可能であり、
前記第２の受電コイルは、前記第２の送電コイルの長手方向に移動可能であることを特徴とする請求項９に記載の無線電力伝送システム。

【請求項11】

前記第１の送電コイルと前記第２の送電コイルは、第１の面上で相互に隣接し、
前記第１の受電コイルと前記第２の受電コイルは、前記第１の面とは異なる第２の面上で相互に隣接していることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。

【請求項12】

前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルは、積層方向で相互に隣接し、
前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルは、積層方向で相互に隣接していることを特徴とする請求項１１に記載の無線電力伝送システム。

【請求項13】

前記第１の同期整流器により整流された電圧を基に、駆動される第１のモータと、
前記第２の同期整流器により整流された電圧を基に、駆動される第２のモータとをさらに有することを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。

【請求項14】

前記第１の同期整流器により整流された電圧を基に、前記第１のモータを駆動する第１の駆動回路と、
前記第２の同期整流器により整流された電圧を基に、前記第２のモータを駆動する第２の駆動回路とを有することを特徴とする請求項１３に記載の無線電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、装置内の送電部から受電部へケーブル等を介して行われていた電力供給を、無線電力伝送に置き換えるための技術が考えられている。特許文献１には、モータを動かすための電力を無線で伝送する技術の一例が開示されている。

【0003】

一方、装置内の送電部から受電部へ電力を伝送する装置の例として、半導体露光装置がある。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、ウエハパターンを形成するためステージを微細移動させる複数のモータが搭載されている。それらのモータを駆動する電力を伝送するための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、ステージの移動にあわせて動くため、ケーブルによる張力が発生してしまい、ステージの位置決め精度が低下する。そこで、このケーブルを用いた電力伝送を無線化することが考えられる。

【0004】

特許文献２には、送電共振子と受電共振子の組を複数用いて無線で送電するシステムにおいて、共振子の組ごとに異なる周波数を用いて送電することで干渉を抑制することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１８－９３７０６号公報

【文献】国際公開第２０１５／１８９９５９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２に記載の技術では、第１の送電共振子の動作帯域に、第２の送電共振子に入力される交流電力の周波数が含まれないようにすることで、干渉を抑制する。そのため、第１の送電共振子と第２の送電共振子の動作帯域が大きく異なるように設計しなければならず、設計の自由度が低くなる。

【0007】

本発明の目的は、無線送電を行うシステムにおいて干渉を効率的に抑制できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の無線電力伝送システムは、第１の送電コイルと、第１の直流電圧を第１の周波数でスイッチングした電圧を前記第１の送電コイルに印加する第１のスイッチング回路と、前記第１の送電コイルから電力を無線受電する第１の受電コイルと、前記第１の受電コイルの電圧を前記第１の周波数でスイッチングすることにより整流する第１の同期整流器と、第２の送電コイルと、第２の直流電圧を前記第１の周波数とは異なる第２の周波数でスイッチングした電圧を前記第２の送電コイルに印加する第２のスイッチング回路と、前記第２の送電コイルから電力を無線受電する第２の受電コイルと、前記第２の受電コイルの電圧を前記第２の周波数でスイッチングすることにより整流する第２の同期整流器と、前記第１の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第１の周波数と前記第２の周波数の差周波数の成分を減衰させる第１のフィルタと、前記第２の同期整流器により整流された電圧に対して、前記第１の周波数と前記第２の周波数の差周波数の成分を減衰させる第２のフィルタとを有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、無線送電を行うシステムにおいて干渉を効率的に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】無線電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。

【図2】送電コイルと受電コイルを示す図である。

【図3】無線電力伝送システムの構成例を示す回路図である。

【図4】同期整流による干渉信号抑制を説明する図である。

【図5】無線電力伝送システムの出力電圧を示すグラフである。

【図6】送電コイルと受電コイルを示す図である。

【図7】無線電力伝送システムの出力電圧を示すグラフである。

【図8】無線電力伝送システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による無線電力伝送システム３００の構成例を示すブロック図である。無線電力伝送システム３００は、電磁界結合により、具体的には磁界または電界と磁界の双方を用いて、電力を伝送する。無線電力伝送システム３００は、例えば、半導体露光装置に用いられるが、これに限定されない。例えば、無線電力伝送システム３００は、複数のモータ等を駆動する機器や、モータ駆動の他に制御回路の駆動も無線で伝送する必要がある機器に適用できる。例えば、無線電力伝送システム３００は、インクジェットプリンタや工場で用いられるロボット装置、自動搬送車（ＡＧＶ）など、複数の電力供給が必要な機器に適用できる。特に、機器内の狭い範囲に無線電力伝送システム３００を配置する場合に好適である。

【0012】

無線電力伝送システム３００を半導体露光装置に適用する場合、モータ４００の数量は例えば１０個程度であるが、図１では３個のモータ４００を示す。無線電力伝送システム３００は、送電装置１００と、受電装置２００とを有する。送電装置１００と受電装置２００の間は、物理的には固定されていない。３個の送電コイル１０１から３個の受電コイル２０１へ各々電力が非接触で送られる。

【0013】

送電装置１００は、１個のコントローラ１０３と、１個の電源１０４と、複数のスイッチング回路１０６と、複数の送電コイル１０１とを有する。受電装置２００は、複数の受電コイル２０１と、複数の受電回路２０４と、複数のモータ駆動回路２０６と、複数のモータとを有する。

【0014】

電源１０４は、直流電圧を出力する。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、次のモータ４００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の出力電圧の振幅値と、モータ４００の動く向きを決めるモータ印加電圧の符号の指令を出す。コントローラ１０３は、直接電源１０４へ、出力電圧の振幅値の指令信号を送る。電源１０４は、出力電圧の振幅値の指令信号を基に、出力電圧の振幅値を変える。コントローラ１０３は、モータ印加電圧の符号の指令信号をモータ駆動回路２０６に無線送信する。モータ駆動回路２０６は、モータ印加電圧の符号の指令信号に応じて、整流動作を０°または１８０°反転させる。

【0015】

例として、正の電圧をモータ４００に印加する場合の無線電力伝送システム３００の動作を説明する。電源１０４は、コントローラ１０３からの指令信号に基づく振幅の直流電圧を各々のスイッチング回路１０６へ出力する。スイッチング回路１０６の各々は、所定の周波数のクロック信号の生成器を有する。スイッチング回路１０６の各々は、クロック信号を基に、スイッチング素子を駆動し、電源１０４の出力電圧をスイッチングし、直流電圧を交流電圧に変換する。スイッチング回路１０６の各々は、交流電圧を送電コイル１０１の各々に印加する。送電コイル１０１の各々は、受電コイル２０１の各々に電力を無線送電する。

【0016】

送電コイル１０１の各々から受電コイル２０１の各々へ電磁界結合により電力が伝達される。受電回路２０４の各々は、受電コイル２０１の各々に接続される。スイッチング回路１０６と受電回路２０４は、コイルとコンデンサを含んだ共振電源回路で形成されている。共振電源回路の各素子値は、送電コイル１０１と受電コイル２０１のインダクタンス値とレジスタンス値、送電コイル１０１と受電コイル２０１の結合係数、スイッチング周波数、最大電源出力電圧値、最大モータ印加電圧値、モータ４００のレジスタンス値で決まる。電源出力電圧値とモータ印加電圧値は、コントローラ１０３からの指令信号により変化する。そのため、所定の電圧範囲において、電源出力電圧値とモータ印加電圧値が略等しくなるように共振電源回路の各素子値を調整する。さらに、電源出力電圧値とモータ印加電圧値の関係を予め測定してテーブル化し、所望のモータ印加電圧値を得るための電源出力電圧値を指令するようにすれば、モータ４００を高精度に駆動できる。

【0017】

３個の送電コイル１０１と３個の受電コイル２０１は、各々隣接する送電コイル１０１からの干渉を受けることなく、高精度に駆動する必要がある。モータ４００の電圧精度として求められるのは数ｍＶ程度の誤差である。そのため、隣接する送電コイル１０１からの干渉電圧を数ｍＶ以内に抑える必要がある。

【0018】

図２は、２個の送電コイル１０１ａ，１０１ｂと２個の受電コイル２０１ａ，２０１ｂを平置きした場合の構成図である。送電コイル１０１ａは、３個の送電コイル１０１のうちの一つの送電コイルである。送電コイル１０１ｂは、３個の送電コイル１０１のうちの他の送電コイルである。受電コイル２０１ａは、３個の受電コイル２０１のうちの一つの受電コイルである。受電コイル２０１ｂは、３個の受電コイル２０１のうちの他の受電コイルである。

【0019】

送電コイル１０１ａの長手方向の長さは、受電コイル２０１ａの長手方向の長さより長い。送電コイル１０１ｂの長手方向の長さは、受電コイル２０１ｂの長手方向の長さより長い。受電コイル２０１ａは、送電コイル１０１ａの長手方向に移動可能である。受電コイル２０１ｂは、送電コイル１０１ｂの長手方向に移動可能である。

【0020】

送電コイル１０１ａと送電コイル１０１ｂは、第１の面上で相互に隣接している。受電コイル２０１ａと受電コイル２０１ｂは、第１の面とは異なる第２の面上で相互に隣接している。送電コイル１０１ａと受電コイル２０１ａは、積層方向で相互に隣接している。送電コイル１０１ｂと受電コイル２０１ｂは、積層方向で相互に隣接している。

【0021】

送電コイル１０１ａ上を受電コイル２０１ａがスライド移動する。送電コイル１０１ｂ上を受電コイル２０１ｂがスライド移動する。送電コイル１０１ａおよび受電コイル２０１ａ間の結合係数は、４ＭＨｚで０．４３程度である。送電コイル１０１ｂおよび受電コイル２０１ｂ間の結合係数は、４．５ＭＨｚで０．４３程度である。また、隣接する送電コイル１０１ａおよび受電コイル２０１ｂ間の結合係数は、４．５ＭＨｚで０．００３７程度である。送電コイル１０１ａから受電コイル２０１ｂに伝わる干渉電圧は、図８（Ａ）のように、受電回路２０４がダイオード整流器で構成されている場合、負荷の大きさ、フィルタ等の条件により１Ｖ以上になる場合があり、モータ４００が誤動作してしまう。

【0022】

図８（Ａ）は、受電回路２０４がダイオード整流器で構成されている１系統の無線電力伝送システム３００の主要部の構成例を示す図である。スイッチング回路１０６は、４個のスイッチング素子Ｕ１～Ｕ４を有し、電源１０４に接続される。送電コイル１０１は、キャパシタＣ１およびＣ２を介して、スイッチング回路１０６に接続される。

【0023】

受電回路２０４は、ダイオード整流器２０４０と、ローパスフィルタ２０４２と、バンドイリミネーションフィルタ２０４３とを有する。受電コイル２０１は、キャパシタＣ３およびＣ４を介して、ダイオード整流器２０４０に接続される。ダイオード整流器２０４０は、ダイオードＤ１～Ｄ４を有し、受電コイル２０１が受電した電圧を整流する。ローパスフィルタ２０４２は、コイルＬ３と、キャパシタＣ５，Ｃ６とを有し、スイッチング周波数成分を除去する。バンドイリミネーションフィルタ２０４３は、コイルＬ４～Ｌ６と、キャパシタＣ７～Ｃ９とを有する。モータ４００は、バンドイリミネーションフィルタ２０４３に接続される。

【0024】

図８（Ｂ）は、送電コイル１０１ａから受電コイル２０１ａへの入力電圧と、送電コイル１０１ｂから受電コイル２０１ａへの干渉波の入力電圧と、受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧を示すシミュレーション波形図である。送電コイル１０１ａは、受電コイル２０１ａに対して、４ＭＨｚで送電する。送電コイル１０１ｂは、受電コイル２０１ｂに対して、４．５ＭＨｚで送電する。受電コイル２０１ａは、送電コイル１０１ａからの入力電圧に対して、送電コイル１０１ｂからの干渉波の入力電圧が重畳される。そのため、受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧は、１．５８Ｖの干渉波の電圧が生じ、モータ４００の誤動作を引き起こす。

【0025】

そこで、第１の実施形態では、図３に示すように、受電回路２０４を双方向スイッチの整流器で構成する。

【0026】

図３は、第１の実施形態による１系統の無線電力伝送システム３００の主要部の構成例を示す図である。スイッチング回路１０６は、４個のスイッチング素子Ｕ１～Ｕ４を有し、電源１０４に接続される。送電コイル１０１は、キャパシタＣ１およびＣ２を介して、スイッチング回路１０６に接続される。

【0027】

受電回路２０４は、同期整流器２０４１と、ローパスフィルタ２０４２と、バンドイリミネーションフィルタ２０４３とを有する。受電コイル２０１は、キャパシタＣ３およびＣ４を介して、同期整流器２０４１に接続される。同期整流器２０４１は、スイッチング素子Ｕ５～Ｕ１２を有し、受電コイル２０１が受電した電圧を整流する。スイッチング素子Ｕ５およびＵ６は、双方向スイッチを構成する。スイッチング素子Ｕ７およびＵ８は、双方向スイッチを構成する。スイッチング素子Ｕ９およびＵ１０は、双方向スイッチを構成する。スイッチング素子Ｕ１１およびＵ１２は、双方向スイッチを構成する。

【0028】

ローパスフィルタ２０４２は、コイルＬ３と、キャパシタＣ５，Ｃ６とを有し、スイッチング周波数成分を除去する。バンドイリミネーションフィルタ２０４３は、コイルＬ４～Ｌ６と、キャパシタＣ７～Ｃ９とを有し、スイッチング回路１０６とそれに隣接するスイッチング回路１０６のクロック周波数の差周波数成分を除去する。モータ４００は、バンドイリミネーションフィルタ２０４３に接続される。

【0029】

受電回路２０４が、双方向スイッチを用いた同期整流器２０４１を有する。スイッチング回路１０６は、Ｄ級プッシュプル回路で構成されているが、別の構成でもよい。スイッチング回路１０６内のスイッチング素子Ｕ１～Ｕ４は、一定の周波数でスイッチングされる。スイッチング素子Ｕ１およびＵ４がオンの時、スイッチング素子Ｕ２およびＵ３がオフすることで、送電コイル１０１のキャパシタＣ１側からキャパシタＣ２側に電流が流れる。逆に、スイッチング素子Ｕ２およびＵ３がオンの時、スイッチング素子Ｕ１およびＵ４がオフすることで、送電コイル１０１のキャパシタＣ２側からキャパシタＣ１側に電流が流れる。ここで、キャパシタＣ１，Ｃ２および送電コイル１０１は、スイッチング素子Ｕ１～Ｕ４の周波数と同じ周波数で共振する共振回路になっている。

【0030】

受電コイル２０１は、キャパシタＣ３およびＣ４とともに共振回路を構成し、受電回路２０４を含めた回路がスイッチング素子Ｕ１～Ｕ４の周波数と同じ周波数で共振する。同期整流器２０４１は、スイッチング素子Ｕ１～Ｕ４の周波数と同じ周波数でスイッチングする双方向スイッチによるフルブリッジ同期整流器であり、受電効率が最もよくなる位相でスイッチングするように調整されている。ここで、同期整流器２０４１のクロック信号は、送電装置１００のスイッチング回路１０６に入力されるスイッチング周波数のクロック信号を別の方法で伝送してもよいし、受電コイル２０１やそれに接続される回路に流れる電流等から検出してもよい。

【0031】

ローパスフィルタ２０４２は、スイッチング周波数の信号を除去し、隣接する送電コイル１０１の信号が入力されても除去できる。ローパスフィルタ２０４２は、図３では、３次のローパスフィルタになっているが、他の次数のフィルタでもよいし、平滑コンデンサだけで構成されていてもよい。バンドイリミネーションフィルタ２０４３は、スイッチング回路１０６とそれに隣接するスイッチング回路１０６のクロック周波数の差周波数成分を除去する。バンドイリミネーションフィルタ２０４３は、図３では、３次のバンドイリミネーションフィルタになっているが、他の次数のフィルタでもよい。また、ローパスフィルタ２０４２がその差周波数成分を十分除去できれば、バンドイリミネーションフィルタ２０４３はなくてもよい。次に、同期整流器２０４１が異なる周波数の信号を排除できる理由を説明する。

【0032】

図４（Ａ）は、同期整流器２０４１ａが送電コイル１０１ａの４ＭＨｚの信号を整流した信号と、同期整流器２０４１ｂが送電コイル１０１ｂの４．５ＭＨｚの信号を整流した信号を示す図である。同期整流器２０４１ａは、受電コイル２０１ａに接続される同期整流器２０４１である。同期整流器２０４１ｂは、受電コイル２０１ｂに接続される同期整流器２０４１である。

【0033】

同期整流器２０４１ａが、送電コイル１０１ａの４ＭＨｚの信号（細い点線）をそれと周波数および位相が合っている４ＭＨｚのクロック信号（細い実線）のスイッチングにより全波整流した信号（太い実線）を示す。同期整流器２０４１ａは、細い実線で示されるクロック信号がハイレベルのときは、細い点線で示される４ＭＨｚの信号をそのまま出力し、細い実線で示されるクロック信号がローレベルのときは、細い点線で示される４ＭＨｚの信号を反転して出力する。ローパスフィルタ２０４２ａは、同期整流器２０４１ａに接続されるローパスフィルタ２０４２である。ローパスフィルタ２０４２ａは、同期整流器２０４１ａが出力する信号（太い実線）に対して、４ＭＨｚ以上の周波数成分を除去し、電源１０４の出力電圧の振幅に比例した直流信号（太い点線）を出力する。

【0034】

同期整流器２０４１ｂが、送電コイル１０１ｂの４．５ＭＨｚの信号（細い点線）をそれと周波数および位相が合っている４．５ＭＨｚのクロック信号（細い実線）のスイッチングにより全波整流した信号（太い実線）を示す。同期整流器２０４１ｂは、細い実線で示されるクロック信号がハイレベルのときは、細い点線で示される４．５ＭＨｚの信号をそのまま出力し、細い実線で示されるクロック信号がローレベルのときは、細い点線で示される４．５ＭＨｚの信号を反転して出力する。ローパスフィルタ２０４２ｂは、同期整流器２０４１ｂに接続されるローパスフィルタ２０４２である。ローパスフィルタ２０４２ｂは、同期整流器２０４１ｂが出力する信号（太い実線）に対して、４．５ＭＨｚ以上の周波数成分を除去し、電源１０４の出力電圧の振幅に比例した直流信号（太い点線）を出力する。

【0035】

図４（Ｂ）は、同期整流器２０４１ａが送電コイル１０１ｂの４．５ＭＨｚの信号を整流した信号と、同期整流器２０４１ｂが送電コイル１０１ａの４ＭＨｚの信号を整流した信号を示す図である。

【0036】

同期整流器２０４１ａが、送電コイル１０１ｂの４．５ＭＨｚの信号（細い点線）をそれと周波数が異なる４ＭＨｚのクロック信号（細い実線）のスイッチングにより全波整流した信号（太い実線）を示す。同期整流器２０４１ａは、細い実線で示されるクロック信号がハイレベルのときは、細い点線で示される４．５ＭＨｚの信号をそのまま出力し、細い実線で示されるクロック信号がローレベルのときは、細い点線で示される４．５ＭＨｚの信号を反転して出力する。ローパスフィルタ２０４２ａは、同期整流器２０４１ａが出力する信号（太い実線）に対して、４ＭＨｚ以上の周波数成分を除去した信号（太い点線）を出力する。

【0037】

同期整流器２０４１ｂが、送電コイル１０１ａの４ＭＨｚの信号（細い点線）をそれと周波数が異なる４．５ＭＨｚのクロック信号（細い実線）のスイッチングにより全波整流した信号（太い実線）を示す。同期整流器２０４１ｂは、細い実線で示されるクロック信号がハイレベルのときは、細い点線で示される４ＭＨｚの信号をそのまま出力し、細い実線で示されるクロック信号がローレベルのときは、細い点線で示される４ＭＨｚの信号を反転して出力する。ローパスフィルタ２０４２ｂは、同期整流器２０４１ｂが出力する信号（太い実線）に対して、４．５ＭＨｚ以上の周波数成分を除去した信号（太い点線）を出力する。

【0038】

同期整流器２０４１では、入力信号（細い点線）の周波数とクロック信号（細い実線）の周波数が異なる。そのため、ローパスフィルタ２０４２の出力信号（太い点線）は、最初はプラスであるが、中央付近ではマイナスになり、再びプラスになる。ローパスフィルタ２０４２の出力信号（太い点線）は、４ＭＨｚと４．５ＭＨｚの差周波数の５００ｋＨｚの正弦波のみとなる。バンドイリミネーションフィルタ２０４３は、４ＭＨｚと４．５ＭＨｚの差周波数の５００ｋＨｚの成分を除去する。

【0039】

以上のように、受電コイル２０１ａに接続された受電回路２０４は、送電コイル１０１ｂが送電する４．５ＭＨｚの信号を除去し、送電コイル１０１ａが送電する４ＭＨｚの信号に対して、全波整流および平滑化した信号を出力する。受電コイル２０１ｂに接続される受電回路２０４は、送電コイル１０１ａが送電する４ＭＨｚの信号を除去し、送電コイル１０１ｂが送電する４．５ＭＨｚの信号に対して、全波整流および平滑化した信号を出力する。

【0040】

一方、図８（Ａ）のダイオード整流器２０４０は、入力信号がプラスであれば、入力信号をそのまま出力し、入力信号がマイナスであれば、入力信号を反転して出力し、周波数による区別なく整流する。そのため、図８（Ｂ）に示すように、受電コイル２０１ａに接続されるダイオード整流器２０４０は、送電コイル１０１ａの４ＭＨｚの信号と送電コイル１０１ｂの４．５ＭＨｚの信号とが重畳された信号を整流して出力する。そのため、１．５８Ｖの干渉波が生じ、モータ４００の誤動作を引き起こす。

【0041】

図３の同期整流器２０４１は、スイッチング特性が良いＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子Ｕ５～Ｕ１２を用いるが、ボディダイオード、すなわち、スイッチングするＭＯＳＦＥＴに並列のダイオードが構造的に入ってしまう。このため、ボディダイオードによる整流によって、異なる周波数成分の信号も整流されることとなる。よって、同期整流器２０４１は、図３に示すように、双方向スイッチの構造になっていることが望ましい。

【0042】

図５は、図３の送電コイル１０１ａから受電コイル２０１ａへの入力電圧と、送電コイル１０１ｂから受電コイル２０１ａへの干渉波の入力電圧と、受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧を示すシミュレーション波形図である。

【0043】

送電コイル１０１ａは、４ＭＨｚの信号を送電する。送電コイル１０１ｂは、４．５ＭＨｚの信号を送電する。受電コイル２０１ａは、送電コイル１０１ａの４ＭＨｚの信号と、送電コイル１０１ｂの４．５ＭＨｚの信号を受電する。受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧は、干渉波が５０ｍＶ程度まで抑制されている。これにより、モータ４００の誤動作を防止することができる。上記のように、図３の受電回路２０４は、双方向スイッチを用いて整流を行い、さらに整流に係るスイッチング周波数に応じたフィルタを用いることにより、所望の電力伝送の性能を劣化させることなく、干渉の影響を抑制することができる。

【0044】

受電回路２０４は、理解の容易のため、隣接するスイッチング回路１０６のクロック周波数の差周波数成分を除去するバンドイリミネーションフィルタ２０４３を有する。受電回路２０４に接続されるモータ４００等の駆動上限周波数が上記の差周波数成分以下である場合等、受電回路２０４に接続される回路が上記の差周波数成分に応答できない場合がある。その場合には、差周波数成分を除去するバンドイリミネーションフィルタ２０４３を省略してもよい。

【0045】

また、送電コイル１０１ａに接続されるスイッチング回路１０６のクロック周波数が４ＭＨｚであり、送電コイル１０１ｂに接続されるスイッチング回路１０６のクロック周波数が４．５ＭＨｚの場合を例に説明したが、この周波数に限定されるものではない。

【0046】

第１の系統の無線電力伝送システム３００は、スイッチング回路１０６ａと、送電コイル１０１ａと、受電コイル２０１ａと、受電回路２０４ａと、モータ駆動回路２０６ａと、モータ４００ａとを有する。受電回路２０４ａは、同期整流器２０４１ａと、ローパスフィルタ２０４２ａと、バンドイリミネーションフィルタ２０４３ａとを有する。

【0047】

第２の系統の無線電力伝送システム３００は、スイッチング回路１０６ｂと、送電コイル１０１ｂと、受電コイル２０１ｂと、受電回路２０４ｂと、モータ駆動回路２０６ｂと、モータ４００ｂとを有する。受電回路２０４ｂは、同期整流器２０４１ｂと、ローパスフィルタ２０４２ｂと、バンドイリミネーションフィルタ２０４３ｂとを有する。

【0048】

スイッチング回路１０６ａは、第１の直流電圧を第１の周波数でスイッチングした電圧を送電コイル１０１ａに印加する。第１の周波数は、例えば４ＭＨｚである。スイッチング回路１０６ｂは、第２の直流電圧を第１の周波数とは異なる第２の周波数でスイッチングした電圧を送電コイル１０１ｂに印加する。第２の周波数は、例えば４．５ＭＨｚである。

【0049】

受電コイル２０１ａは、送電コイル１０１ａから電力を無線受電する。同期整流器２０４１ａは、複数の双方向スイッチを有し、受電コイル２０１ａの電圧を第１の周波数でスイッチングすることにより全波整流する。ローパスフィルタ２０４２ａは、同期整流器２０４１ａにより整流された電圧に対して、第１の周波数の成分を減衰させる。バンドイリミネーションフィルタ２０４３ａは、ローパスフィルタ２０４２ａの出力電圧に対して、第１の周波数と第２の周波数の差周波数の成分を減衰させる。なお、ローパスフィルタ２０４２ａは、同期整流器２０４１ａにより整流された電圧に対して、第１の周波数の成分と、第１の周波数と第２の周波数の差周波数の成分とを減衰させるようにしてもよい。モータ駆動回路２０６ａは、バンドイリミネーションフィルタ２０４３ａの出力電圧を基に、モータ４００ａを駆動する。モータ４００ａは、モータ駆動回路２０６ａにより駆動される。

【0050】

受電コイル２０１ｂは、送電コイル１０１ｂから電力を無線受電する。同期整流器２０４１ｂは、複数の双方向スイッチを有し、受電コイル２０１ｂの電圧を第２の周波数でスイッチングすることにより全波整流する。ローパスフィルタ２０４２ｂは、同期整流器２０４１ｂにより整流された電圧に対して、第２の周波数の成分を減衰させる。バンドイリミネーションフィルタ２０４３ｂは、ローパスフィルタ２０４２ｂの出力電圧に対して、第１の周波数と第２の周波数の差周波数の成分を減衰させる。なお、ローパスフィルタ２０４２ｂは、同期整流器２０４１ｂにより整流された電圧に対して、第２の周波数の成分と、第１の周波数と第２の周波数の差周波数の成分とを減衰させるようにしてもよい。モータ駆動回路２０６ｂは、バンドイリミネーションフィルタ２０４３ｂの出力電圧を基に、モータ４００ｂを駆動する。モータ４００ｂは、モータ駆動回路２０６ｂにより駆動される。

【0051】

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、送電コイル１０１ａおよび１０１ｂが異なる周波数で無線電力伝送を行い、受電回路２０４は、双方向スイッチの同期整流器２０４１を用いる。これにより、送電コイル１０１ｂおよび受電コイル２０１ａ間の干渉による受電電圧の変化を抑制する。第２の実施形態では、さらに金属構造体によるシールド効果で干渉の抑制効果を増大させることが可能であることを示す。

【0052】

図６は、送電コイル１０１ａ～１０１ｄおよび受電コイル２０１ａ～２０１ｄ間の干渉を抑制する構成例を示す。送電コイル１０１ａ～１０１ｄは、４系統の送電コイル１０１である。受電コイル２０１ａ～２０１ｄは、４系統の受電コイルである。

【0053】

半導体露光装置等に無線電力伝送システム３００を搭載する場合、複数系統の無線電力伝送システム３００の送電コイル１０１および受電コイル２０１を平面に並べるだけでなく、省スペース化のため、層状に重ねる。また、送電コイル１０１が受電コイル２０１より大きい場合、受電コイル２０１が対向していない部分の送電コイル１０１から不要輻射が出力されるため、不要輻射を抑制するためにも、送電コイル１０１を全面的に覆う金属が必要となる。

【0054】

受電コイル２０１ａおよび２０１ｂは、平面に並べられる。送電コイル１０１ａおよび１０１ｂは、平面に並べられる。受電コイル２０１ａ，２０１ｂと送電コイル１０１ａ，１０１ｂは、層状に重ねられる。

【0055】

受電コイル２０１ｃおよび２０１ｄは、平面に並べられる。送電コイル１０１ｃおよび１０１ｄは、平面に並べられる。受電コイル２０１ｃ，２０１ｄと送電コイル１０１ｃ，１０１ｃは、層状に重ねられる。

【0056】

受電コイル２０１ａ，２０１ｂと受電コイル２０１ｃ，２０１ｄは、層状に重ねられる。送電コイル１０１ａ，１０１ｂと送電コイル１０１ｃ，１０１ｄは、層状に重ねられる。

【0057】

金属板６０１１は、送電コイル１０１ａおよび１０１ｂを支持するための金属板であり、送電コイル１０１ａおよび１０１ｂのＦＲ－４基板と、ＦＲ－４基板と金属板の間に置かれる磁性シートが埋め込まれる構造となっている。金属板６０１２は、送電コイル１０１ｃおよび１０１ｄを支持するための金属板であり、送電コイル１０１ｃおよび１０１ｄのＦＲ－４基板と、ＦＲ－４基板と金属板の間に置かれる磁性シートが埋め込まれる構造となっている。金属板６０１３は、送電コイル１０１ａおよび１０１ｂから出される不要輻射を抑制するための金属板であり、送電コイル１０１ａおよび１０１ｂ側に磁性シートが貼られている。

【0058】

金属板６０２１は、受電コイル２０１ａおよび２０１ｂを支持するための金属板であり、受電コイル２０１ａおよび２０１ｂのＦＲ－４基板と、ＦＲ－４基板と金属板の間に置かれる磁性シートが埋め込まれる構造となっている。金属板６０２２は、受電コイル２０１ｃおよび２０１ｄを支持するための金属板であり、受電コイル２０１ｃおよび２０１ｄのＦＲ－４基板と、ＦＲ－４基板と金属板の間に置かれる磁性シートが埋め込まれる構造となっている。

【0059】

実際には、金属板６０１１、６０１２および６０１３を支える支持部材と、金属板６０２１および６０２２を支える支持部材が必要であるが、ここでは省略している。このように、送電コイルと受電コイルを積層することにより、省スペース化を図る。また、送電コイルと受電コイルを金属板と磁性シートで被うことによりシールドされ、隣接する系統のコイル間の結合効率が１／２０程度になる。ここで、金属板による送電コイルと受電コイルのインダクタンス値と損失への影響は、磁性シートによって抑制され、無線電力伝送の伝送効率にはほとんど影響せずに伝送できる。

【0060】

ここで、送電コイルと受電コイル間の結合係数の電磁界シミュレーションを示す。送電コイル１０１ａと受電コイル２０１ａ間の結合係数は、４ＭＨｚで０．４５程度である。送電コイル１０１ｂと受電コイル２０１ｂ間の結合係数は、４．５ＭＨｚで０．４５程度である。また、送電コイル１０１ａと受電コイル２０１ｂ間の結合係数は、４．５ＭＨｚで０．０００１程度である。

【0061】

図７（Ａ）は、図６および図８（Ａ）の構成を有する無線電力伝送システム３００のシミュレーション波形図である。図７（Ａ）は、送電コイル１０１ａから受電コイル２０１ａへの入力電圧と、送電コイル１０１ｂから受電コイル２０１ａへの干渉波の入力電圧と、受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧を示すシミュレーション波形図である。無線電力伝送システム３００は、図６の送電コイル１０１ａ～１０１ｄおよび受電コイル２０１ａ～２０１ｄと、図８（Ａ）のスイッチング回路１０６および受電回路２０４を有する。受電回路２０４は、ダイオード整流器２０４０を有する。受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧は、１１．５ｍＶの干渉波の電圧が生じる。

【0062】

図７（Ｂ）は、図６および図３の構成を有する無線電力伝送システム３００のシミュレーション波形図である。図７（Ｂ）は、送電コイル１０１ａから受電コイル２０１ａへの入力電圧と、送電コイル１０１ｂから受電コイル２０１ａへの干渉波の入力電圧と、受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧を示すシミュレーション波形図である。無線電力伝送システム３００は、図６の送電コイル１０１ａ～１０１ｄおよび受電コイル２０１ａ～２０１ｄと、図３のスイッチング回路１０６および受電回路２０４を有する。受電回路２０４は、双方向スイッチを用いた同期整流器２０４１を有する。受電コイル２０１ａに接続される受電回路２０４の出力電圧は、干渉波による電圧変化がほとんど生じない。

【0063】

以上のように、無線電力伝送システム３００は、送電コイルの支持と受電コイルの支持と不要輻射防止のための金属板によってシールドされることによって、干渉の影響を除去することができる。

【0064】

なお、第１および第２の実施形態の送電コイルと受電コイルは、ＦＲ－４基板のような誘電体基板に構成されてもよいし、リッツ線などの銅線でコイル状に巻かれたコイルでもよいし、フレキ基板のように、折り曲げ可能であってもよい。

【0065】

第１および第２の実施形態によれば、受電回路２０４ａは、送電コイル１０１ｂから受電コイル２０１ａへの干渉波を抑制することができ、受電回路２０４ｂは、送電コイル１０１ａから受電コイル２０１ｂへの干渉波を抑制することができる。これにより、送電コイル１０１ａおよび受電コイル２０１ａの組みと、送電コイル１０１ｂおよび受電コイル２０１ｂの組みとを相互に近接して配置することができるので、省スペース化することができる。また、スイッチング回路１０６ａがスイッチングする第１の周波数と、スイッチング回路１０６ｂがスイッチングする第２の周波数とを大きくずらす必要がないので、送電コイル１０１および受電コイル２０１の設計が容易になる。

【0066】

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】

【0067】

１００ 送電装置、１０１ 送電コイル、１０６ スイッチング回路、２００ 受電装置、２０１ 受電コイル、２０４ 受電回路、２０４１ 同期整流器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】