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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-20
(54)【発明の名称】エアロゾル発生装置
(51)【国際特許分類】
A24F 40/50 20200101AFI20231213BHJP
A24F 40/465 20200101ALI20231213BHJP
【ＦＩ】
A24F40/50
A24F40/465
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023534232
(86)(22)【出願日】2021-12-08
(85)【翻訳文提出日】2023-08-04
(86)【国際出願番号】 CN2021136484
(87)【国際公開番号】W WO2022121948
(87)【国際公開日】2022-06-16
(31)【優先権主張番号】202022975947.8
(32)【優先日】2020-12-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517075997
【氏名又は名称】深▲せん▼市合元科技有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＳＨＥＮＺＨＥＮ ＦＩＲＳＴ ＵＮＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．，ＬＴＤ
【住所又は居所原語表記】Ｂｌｄｇ Ｃ， Ｔａｎｇｗｅｉ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ Ｐａｒｋ， Ｆｕｙｏｎｇ Ｓｔｒ， Ｂａｏａｎ Ｄｉｓｔ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【弁理士】
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】李新軍
(72)【発明者】
【氏名】胡瑞龍
(72)【発明者】
【氏名】徐中立
(72)【発明者】
【氏名】李永海
【テーマコード（参考）】
4B162
【Ｆターム（参考）】
4B162AA03
4B162AA22
4B162AB12
4B162AC22
4B162AC34
(57)【要約】
本出願は、エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、第１電極及び第２電極を含む電池セルと、第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタと、誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサを含むＬＣＣ発振器であって、第１コンデンサの第１端が第１電極に接続され、第２端が第２コンデンサの第１端に接続され、第２コンデンサの第２端が第２電極に接続され、誘導コイルの第１端が第１コンデンサの第２端に接続され、第２端が第１スイッチトランジスタを介して第１電極に接続され、及び第２スイッチトランジスタを介して第２電極に接続され、第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタが交互にオン・オフになって、交番電流が誘導コイルを流れて変動磁場を発生させるように導く前記ＬＣＣ発振器と、変動磁場により貫通されて発熱して、キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含む、エアロゾル発生装置を提供する。以上のエアロゾル発生装置はＬＣＣ発振器によって逆変換を形成し、ＬＣ発振器に対して共振周波数がより低く、効率がより高くなる。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
エアロゾル発生製品を加熱して喫煙用エアロゾルを発生させるように構成されたエアロゾル発生装置であって、エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、
第１電極及び第２電極を含む電池セルと、
第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタと、
誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサを含むＬＣＣ発振器であって、前記第１コンデンサの第１端が前記第１電極に接続され、第２端が前記第２コンデンサの第１端に接続され、前記第２コンデンサの第２端が前記第２電極に接続され、前記誘導コイルの第１端が前記第１コンデンサの第２端に接続され、第２端が前記第１スイッチトランジスタを介して前記第１電極に接続され、及び前記第２スイッチトランジスタを介して前記第２電極に接続され、
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタが、交互にオン・オフになって、交番電流が前記誘導コイルを流れるように導いて、前記誘導コイルを駆動して変動磁場を発生させるように構成される前記ＬＣＣ発振器と、
変動磁場により貫通されて発熱して、前記キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含むことを特徴とする、エアロゾル発生装置。
【請求項2】
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタは前記交番電流を循環的に導くように構成され、各前記循環は、前記第１スイッチトランジスタをオンにして前記第２スイッチトランジスタをオフにすることで、前記第１コンデンサの放電及び前記第２コンデンサの充電を同時に行った後、前記第１コンデンサを充電し、前記誘導コイルの正方向において電流を導く正の半分と、
前記第１スイッチトランジスタをオフにして前記第２スイッチトランジスタをオンにすることで、前記第１コンデンサの充電及び前記第２コンデンサの放電を同時に行った後、前記第２コンデンサを充電し、前記誘導コイルの負方向において電流を導く負の半分と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項3】
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタはゼロ電流スイッチングインバータトポロジーに基づいてオン・オフされて、交番電流が前記誘導コイルを流れるように導くことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項4】
前記ＬＣＣ発振器は常に弱い誘導性であるように維持されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項5】
前記第１スイッチトランジスタと前記第２スイッチトランジスタの切替は同時ではないことを特徴とする、請求項２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項6】
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタのうち、一方がオフにされる時間は他方がオンにされる時間よりも早いことを特徴とする、請求項５に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項7】
前記第１コンデンサと第２コンデンサは等しい容量値を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項8】
前記第１コンデンサ及び／又は第２コンデンサの最大電圧は前記電池セルの出力電圧よりも高いことを特徴とする、請求項７に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項9】
前記第１コンデンサは少なくとも２つの並列に接続されたコンデンサを含み、及び／又は、前記第２コンデンサは少なくとも２つの並列に接続されたコンデンサを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項10】
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタのオン・オフをＰＷＭ方式で制御するように構成されたコントローラをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項11】
抵抗であって、前記第２コンデンサの第２端及び第２スイッチトランジスタの第２端が当該抵抗を介して前記電池セルの第２電極に接続される抵抗と、前記抵抗を流れる電流を監視するための過電流監視部と、
前記抵抗を流れる電流が閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタをオフに制御するように構成されたコントローラと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項12】
エアロゾル発生製品を加熱して喫煙用エアロゾルを発生させるように構成されたエアロゾル発生装置であって、エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、
誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサであって、前記第１コンデンサと前記誘導コイルが直列に接続されて第１ＬＣ発振器が構成され、前記第２コンデンサと誘導コイルが直列に接続されて第２ＬＣ発振器が構成される誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサと、
ゼロ電流スイッチングインバータトポロジーによって前記第１ＬＣ発振器及び第２ＬＣ発振器が発振するように導いて、前記誘導コイルを流れる交番電流を形成して、前記誘導コイルを駆動して変動磁場を発生させるように構成されたトランジスタスイッチと、
変動磁場により貫通されて発熱して、前記キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含むことを特徴とする、エアロゾル発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本出願は２０２０年１２月８日に中国特許局へ出願された、出願番号２０２０２２９７５９４７．８、発明名称「エアロゾル発生装置」の中国特許の優先権を主張し、その全ての内容が引用によって本出願に組み込まれる。
本出願は２０２０年１２月８日に中国特許局へ出願された、出願番号２０２０２２９７５９４７．８、発明名称「エアロゾル発生装置」の中国特許の優先権を主張し、その全ての内容が引用によって本出願に組み込まれる。
【0002】
本出願の実施例は電磁誘導による加熱式非燃焼喫煙具の分野に関し、特にエアロゾル発生装置に関する。
【背景技術】
【0003】
タバコ製品（例えば、紙巻タバコ、葉巻タバコ等）は使用中にタバコを燃焼させてタバコの煙を発生させるものである。タバコを燃焼させるこれらの製品の代替として、燃焼せずに化合物を放出する製品を製造する努力が試みられていた。
【0004】
そのような製品の一例は加熱装置であり、それは材料を燃焼ではなく加熱することで化合物を放出させる。例えば、該材料はタバコ又は他の非タバコ製品であり得、これらの非タバコ製品はニコチンを含有してもしなくてもよい。公知の装置では、電磁誘導によって発熱するヒータは、タバコ製品を加熱して喫煙用エアロゾルを発生させる。以上の加熱装置の１つの従来技術に係る実施例において、２０１５８０００７７５４．２号特許には、特製シガレット製品を電磁誘導によって加熱する誘導加熱装置が提案されており、具体的には、１つの誘導コイルと１つのコンデンサを直列又は並列してＬＣ発振を構成する方式で交流を形成し、それにより、コイルに交番磁場を発生させてサセプタを誘導して発熱させてシガレット製品を加熱する。
【発明の概要】
【0005】
本出願の一実施例は、エアロゾル発生製品を加熱して喫煙用エアロゾルを発生させるように構成されたエアロゾル発生装置であって、
エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、
第１電極及び第２電極を含む電池セルと、
第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタと、
誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサを含むＬＣＣ発振器であって、前記第１コンデンサの第１端が前記第１電極に接続され、第２端が前記第２コンデンサの第１端に接続され、前記第２コンデンサの第２端が前記第２電極に接続され、前記誘導コイルの第１端が前記第１コンデンサの第２端に接続され、第２端が前記第１スイッチトランジスタを介して前記第１電極に接続され、及び前記第２スイッチトランジスタを介して前記第２電極に接続され、
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタが、交互にオン・オフになって、交番電流が前記誘導コイルを流れるように導いて、前記誘導コイルを駆動して変動磁場を発生させるように構成される前記ＬＣＣ発振器と、
変動磁場により貫通されて発熱して、前記キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含む、エアロゾル発生装置を提供する。
エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、
第１電極及び第２電極を含む電池セルと、
第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタと、
誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサを含むＬＣＣ発振器であって、前記第１コンデンサの第１端が前記第１電極に接続され、第２端が前記第２コンデンサの第１端に接続され、前記第２コンデンサの第２端が前記第２電極に接続され、前記誘導コイルの第１端が前記第１コンデンサの第２端に接続され、第２端が前記第１スイッチトランジスタを介して前記第１電極に接続され、及び前記第２スイッチトランジスタを介して前記第２電極に接続され、
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタが、交互にオン・オフになって、交番電流が前記誘導コイルを流れるように導いて、前記誘導コイルを駆動して変動磁場を発生させるように構成される前記ＬＣＣ発振器と、
変動磁場により貫通されて発熱して、前記キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含む、エアロゾル発生装置を提供する。
【0006】
上記したエアロゾル発生装置はＬＣＣ発振器によって逆変換を形成し、ＬＣ発振器に対して共振周波数がより低く、効率がより高くなる。
【0007】
好ましい実施形態において、前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタは前記交番電流を循環的に導くように構成され、各前記循環は、
前記第１スイッチトランジスタをオンにして前記第２スイッチトランジスタをオフにすることで、前記第１コンデンサの放電及び前記第２コンデンサの充電を同時に行った後、前記第１コンデンサを充電し、前記誘導コイルの正方向において電流を導く正の半分と、
前記第１スイッチトランジスタをオフにして前記第２スイッチトランジスタをオンにすることで、前記第１コンデンサの充電及び前記第２コンデンサの放電を同時に行った後、前記第２コンデンサを充電し、前記誘導コイルの負方向において電流を導く負の半分と、を含む。
前記第１スイッチトランジスタをオンにして前記第２スイッチトランジスタをオフにすることで、前記第１コンデンサの放電及び前記第２コンデンサの充電を同時に行った後、前記第１コンデンサを充電し、前記誘導コイルの正方向において電流を導く正の半分と、
前記第１スイッチトランジスタをオフにして前記第２スイッチトランジスタをオンにすることで、前記第１コンデンサの充電及び前記第２コンデンサの放電を同時に行った後、前記第２コンデンサを充電し、前記誘導コイルの負方向において電流を導く負の半分と、を含む。
【0008】
好ましい実施形態において、前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタはゼロ電流スイッチングインバータトポロジーに基づいてオン・オフされて、交番電流が前記誘導コイルを流れるように導く。
【0009】
好ましい実施形態において、前記ＬＣＣ発振器は常に弱い誘導性であるように維持される。
【0010】
好ましい実施形態において、前記第１スイッチトランジスタと前記第２スイッチトランジスタの切替は同時ではない。
【0011】
好ましい実施形態において、前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタのうち、一方がオフにされる時間は他方がオンにされる時間よりも早い。
【0012】
好ましい実施形態において、前記第１コンデンサと第２コンデンサは等しい容量値を有する。
【0013】
好ましい実施形態において、前記第１コンデンサ及び／又は第２コンデンサの最大電圧は前記電池セルの出力電圧よりも高い。
【0014】
好ましい実施形態において、前記第１コンデンサは少なくとも２つの並列に接続されたコンデンサを含み、
及び／又は、前記第２コンデンサは少なくとも２つの並列に接続されたコンデンサを含む。
及び／又は、前記第２コンデンサは少なくとも２つの並列に接続されたコンデンサを含む。
【0015】
好ましい実施形態において、
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタのオン・オフをＰＷＭ方式で制御するように構成されたコントローラをさらに含む。
前記第１スイッチトランジスタと第２スイッチトランジスタのオン・オフをＰＷＭ方式で制御するように構成されたコントローラをさらに含む。
【0016】
好ましい実施形態において、
抵抗であって、前記第２コンデンサの第２端及び第２スイッチトランジスタの第２端が当該抵抗を介して前記電池セルの第２電極に接続される抵抗と、
前記抵抗を流れる電流を監視するための過電流監視部と、
前記抵抗を流れる電流が閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタをオフに制御するように構成されたコントローラと、をさらに含む。
抵抗であって、前記第２コンデンサの第２端及び第２スイッチトランジスタの第２端が当該抵抗を介して前記電池セルの第２電極に接続される抵抗と、
前記抵抗を流れる電流を監視するための過電流監視部と、
前記抵抗を流れる電流が閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチトランジスタ及び第２スイッチトランジスタをオフに制御するように構成されたコントローラと、をさらに含む。
【0017】
本出願のさらなる実施例は、エアロゾル発生製品を加熱して喫煙用エアロゾルを発生させるように構成されたエアロゾル発生装置であって、
エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、
誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサであって、前記第１コンデンサと前記誘導コイルが直列に接続されて第１ＬＣ発振器が構成され、前記第２コンデンサと誘導コイルが直列に接続されて第２ＬＣ発振器が構成される誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサと、
ゼロ電流スイッチングインバータトポロジーによって前記第１ＬＣ発振器及び第２ＬＣ発振器が発振するように導いて、前記誘導コイルを流れる交番電流を形成して、前記誘導コイルを駆動して変動磁場を発生させるように構成されたトランジスタスイッチと、
変動磁場により貫通されて発熱して、前記キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含む、エアロゾル発生装置をさらに提供する。
エアロゾル発生製品を受け入れるためのキャビティと、
誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサであって、前記第１コンデンサと前記誘導コイルが直列に接続されて第１ＬＣ発振器が構成され、前記第２コンデンサと誘導コイルが直列に接続されて第２ＬＣ発振器が構成される誘導コイル、第１コンデンサ及び第２コンデンサと、
ゼロ電流スイッチングインバータトポロジーによって前記第１ＬＣ発振器及び第２ＬＣ発振器が発振するように導いて、前記誘導コイルを流れる交番電流を形成して、前記誘導コイルを駆動して変動磁場を発生させるように構成されたトランジスタスイッチと、
変動磁場により貫通されて発熱して、前記キャビティ内に受け入れられたエアロゾル発生製品を加熱するように構成されたサセプタと、を含む、エアロゾル発生装置をさらに提供する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
１つ又は複数の実施例についてはそれに対応する図面中の図によって例示的に説明するが、これらの例示的説明は実施例を限定するものではなく、図面において同じ参照用数字符号を付けた素子／モジュール及び工程は類似的な素子／モジュール及び工程であることを示し、特に断らない限り、図面中の図は比例を制限するものではない。
【図1】本出願の一実施例で提供されるエアロゾル発生装置の構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本出願を容易に理解するために、以下において図面及び具体的な実施形態を参照しながら、本出願をより詳細に説明する。
【0020】
本出願の一実施例はエアロゾル発生装置を提案し、その構造は図１に示すように、
エアロゾル発生製品Ａが取り除き可能に受け入れられるキャビティと、
交番電流下で変動磁場を発生させるための誘導コイルＬと、
少なくとも一部がキャビティ内を延在するサセプタ３０であって、誘導コイルＬに誘導結合され、変動磁場により貫通されて発熱して、シガレットのようなエアロゾル発生製品Ａを加熱し、エアロゾル発生製品Ａの少なくとも１つの成分を揮発させ、喫煙用エアロゾルを形成するように構成されたサセプタ３０と、
充電可能な直流電池セルであり、直流電流を出力可能である電池セル１０と、
充電可能な電池セル１０に適切に電気的に接続されることにより、電池セル１０から出力された直流電流を、適切な周波数を有する交番電流に変換してから誘導コイルＬに供給するための回路２０と、を含む。
エアロゾル発生製品Ａが取り除き可能に受け入れられるキャビティと、
交番電流下で変動磁場を発生させるための誘導コイルＬと、
少なくとも一部がキャビティ内を延在するサセプタ３０であって、誘導コイルＬに誘導結合され、変動磁場により貫通されて発熱して、シガレットのようなエアロゾル発生製品Ａを加熱し、エアロゾル発生製品Ａの少なくとも１つの成分を揮発させ、喫煙用エアロゾルを形成するように構成されたサセプタ３０と、
充電可能な直流電池セルであり、直流電流を出力可能である電池セル１０と、
充電可能な電池セル１０に適切に電気的に接続されることにより、電池セル１０から出力された直流電流を、適切な周波数を有する交番電流に変換してから誘導コイルＬに供給するための回路２０と、を含む。
【0021】
製品の使用における設定に応じて、誘導コイルＬは、図１に示すように、螺旋状に巻かれた円筒形誘導コイルを含んでもよい。螺旋状に巻かれた円筒形誘導コイルＬは、約５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内にある半径ｒを有してもよく、そして、特に半径ｒは約７ｍｍであってもよい。螺旋状に巻かれた円筒形誘導コイルＬの長さは、約８ｍｍから約１４ｍｍの範囲内であってもよく、誘導コイルＬの巻き数は、約８ターンから１５ターンの範囲内である。それに応じて、内体積は約０．１５ｃｍ３から約１．１０ｃｍ３の範囲内であり得る。
【0022】
より好ましい実施形態において、回路２０から誘導コイルＬに供給されている交番電流の周波数は８０ＫＨｚ～４００ＫＨｚにあり、より具体的には、前記周波数は約２００ＫＨｚから３００ＫＨｚの範囲であってもよい。
【0023】
好ましい一実施例において、電池セル１０により提供される直流給電電圧は、約２．５Ｖから約９．０Ｖの範囲内にあり、電池セル１０により提供可能な直流電流のアンペア数は、約２．５Ａから約２０Ａの範囲内である。
【0024】
好ましい一実施例において、サセプタ３０は、ほぼピン状又はブレード状であり、これにより、エアロゾル発生製品Ａへの挿入に有利である。また、サセプタ３０は、約１２ミリメートルの長さ、約４ミリメートルの幅及び約０．５ミリメートルの厚さを有してもよく、且つグレード４３０のステンレス鋼（ＳＳ４３０）で製造されてもよい。代替的な実施例として、サセプタ３０は、約１２ミリメートルの長さ、約５ミリメートルの幅及び約０．５ミリメートルの厚さを有してもよく、且つグレード４３０のステンレス鋼（ＳＳ４３０）で製造されてもよい。他の変形実施例において、サセプタ３０はさらに、円筒状又は管状に構成されてもよい。使用時に、その内部空間はエアロゾル発生製品Ａを受け入れるためのキャビティを形成し、そして、エアロゾル発生製品Ａの外周を加熱する方式で、喫煙用エアロゾルを発生させる。これらのサセプタはさらに、グレード４２０のステンレス鋼（ＳＳ４２０）、及び鉄ニッケル含有合金材料（例えば、パーマロイ）で製造されてもよい。
【0025】
図１に示す実施例において、エアロゾル発生装置は、誘導コイルＬ及びサセプタ３０を配置するためのホルダ４０をさらに含み、当該ホルダ４０の材質は、ＰＥＥＫ又はセラミック等のような、高温に耐える非金属材料を含んでもよい。実施において、誘導コイルＬはホルダ４０の外壁に巻き付けられて固定されている。また、図１に示すように、当該ホルダ４０は中空の管状形状であり、その管状の中空部分の空間は、エアロゾル発生製品Ａを受け入れるための上記キャビティを形成する。
【0026】
選択的な実施形態において、サセプタ３０は、以上の感受性の材質で製造されるか、又はセラミック等の耐熱性の基材の外面に電気めっき、堆積等を施すことで感受性材料コーティングを形成してなる。
【0027】
以上の回路２０の好ましい一実施形態における構造及び基本コンポーネントは、図２から図３に示すように、次のＬＣＣ発振器２４、ハーフブリッジ２３、及びハーフブリッジドライバ２２を含んでもよい。
ＬＣＣ発振器２４は、以上の誘導コイルＬ、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２からなる。ＬＣＣ発振器２４は、発振の過程において誘導コイルＬを流れる交番電流を形成することで、誘導コイルＬに交番磁場を発生させてサセプタ３０を誘導して発熱させるために用いられる。
ハーフブリッジ２３は、トランジスタスイッチからなるハーフブリッジ回路であり、交互にオン・オフ切り替わることでＬＣＣ発振器２４を発振させるためのスイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２を含む。
ハーフブリッジドライバ２２は、ＭＣＵコントローラ２１の制御信号に基づいてハーフブリッジ２３のスイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２が交互にオン・オフするように制御するために用いられる。
ＬＣＣ発振器２４は、以上の誘導コイルＬ、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２からなる。ＬＣＣ発振器２４は、発振の過程において誘導コイルＬを流れる交番電流を形成することで、誘導コイルＬに交番磁場を発生させてサセプタ３０を誘導して発熱させるために用いられる。
ハーフブリッジ２３は、トランジスタスイッチからなるハーフブリッジ回路であり、交互にオン・オフ切り替わることでＬＣＣ発振器２４を発振させるためのスイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２を含む。
ハーフブリッジドライバ２２は、ＭＣＵコントローラ２１の制御信号に基づいてハーフブリッジ２３のスイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２が交互にオン・オフするように制御するために用いられる。
【0028】
以上の実施例におけるＬＣＣ発振器２４の完全な接続方式及び詳細な発振過程は図３に示され、具体的には、
接続について、第１コンデンサＣ１は第１端が電池セル１０の正極に接続され、第２端が第２コンデンサＣ２の第１端に接続される。第２コンデンサＣ２は第２端が抵抗Ｒ１を介して接地される。
ハーフブリッジ２３のスイッチトランジスタＱ１は第１端が電池セル１０の正極に接続され、第２端がスイッチトランジスタＱ２の第１端に接続され、スイッチトランジスタＱ２は第２端が抵抗Ｒ１を介して接地される。当然ながら、スイッチトランジスタＱ１及びスイッチトランジスタＱ２の被制御端はいずれもハーフブリッジドライバ２２に接続され、ハーフブリッジドライバ２２の駆動によってオン・オフされる。
誘導コイルＬは第１端がスイッチトランジスタＱ１の第２端に接続され、第２端が第１コンデンサＣ１の第２端に接続される。また、ＬＣＣ発振器２４のハードウェアの選択について、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の最大電圧値が電池セル１０の出力電圧値を大きく上回っているものとする。例えば、通常の実施において、使用される電池セル１０の出力電圧はほとんど約４Ｖであるが、使用される第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の最大電圧は３０～８０Ｖである。
接続について、第１コンデンサＣ１は第１端が電池セル１０の正極に接続され、第２端が第２コンデンサＣ２の第１端に接続される。第２コンデンサＣ２は第２端が抵抗Ｒ１を介して接地される。
ハーフブリッジ２３のスイッチトランジスタＱ１は第１端が電池セル１０の正極に接続され、第２端がスイッチトランジスタＱ２の第１端に接続され、スイッチトランジスタＱ２は第２端が抵抗Ｒ１を介して接地される。当然ながら、スイッチトランジスタＱ１及びスイッチトランジスタＱ２の被制御端はいずれもハーフブリッジドライバ２２に接続され、ハーフブリッジドライバ２２の駆動によってオン・オフされる。
誘導コイルＬは第１端がスイッチトランジスタＱ１の第２端に接続され、第２端が第１コンデンサＣ１の第２端に接続される。また、ＬＣＣ発振器２４のハードウェアの選択について、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の最大電圧値が電池セル１０の出力電圧値を大きく上回っているものとする。例えば、通常の実施において、使用される電池セル１０の出力電圧はほとんど約４Ｖであるが、使用される第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の最大電圧は３０～８０Ｖである。
【0029】
上記構造のＬＣＣ発振器２４では、スイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２の切替状態において、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２と誘導コイルＬとの接続状態が変化している。具体的には、図３において、スイッチトランジスタＱ１がオンになって、スイッチトランジスタＱ２がオフになると、第１コンデンサＣ１と誘導コイルＬは閉じた直列ＬＣ回路を共同で形成するが、第２コンデンサＣ２と誘導コイルＬは両端がそれぞれ電池セル１０の正負極に接続された直列ＬＣ回路を形成する。一方、スイッチトランジスタＱ１がオフになって、スイッチトランジスタＱ２がオンになると、構成された回路は上記状態とは逆であり、第１コンデンサＣ１と誘導コイルＬは両端がそれぞれ電池セル１０の正負極に接続された直列ＬＣ回路を形成するが、第２コンデンサＣ２と誘導コイルＬは閉じた直列ＬＣ回路を共同で形成する。それぞれの異なる状態において、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２はいずれも誘導コイルＬとそれぞれのＬＣ回路を形成することができる。しかし、それぞれのＬＣ回路の発振過程において、発生された誘導コイルＬを流れる電流の方向及び周期は同じであり、誘導コイルＬを流れる交番電流を共同で形成する。
【0030】
具体的には、上記ＬＣＣ発振器２４を有する発振過程の制御ステップは、一般的な直列又は並列のＬＣ発振器とは異なる。さらに、本出願の好ましい実施形態において、スイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２の切替動作によってＬＣＣ発振器２４の完全な発振過程を説明し、以下を含む。
【0031】
Ｓ１０では、スイッチトランジスタＱ１をオンにし、スイッチトランジスタＱ２をオフ状態に維持し、この状態でＬＣＣ発振器２４は具体的に次の２つの過程を完了する。
【0032】
Ｓ１１では、図４に示すように、スイッチトランジスタＱ１がオンになって、スイッチトランジスタＱ２がオフになると、電池セル１０は電流ｉ１によって第２コンデンサＣ２を充電するとともに、第１コンデンサＣ１は電流ｉ２によって放電し、当該過程において図４に示す誘導コイルＬを左から右へ流れる電流が形成され、正方向の電流とすることができる。この段階Ｓ１１では、第１コンデンサＣ１は、スイッチトランジスタＱ１がオンになった時から放電を開始し、両端の電圧差が０になるまで放電を完了し、そして第２コンデンサＣ２は、両端の電圧が電池セル１０の出力電圧と等しくなるまで増加した時に、充電を停止し、この時、誘導コイルＬの電流は共振ピークが最大になる。
【0033】
Ｓ１２では、段階Ｓ１１が完了した後もスイッチトランジスタＱ１がオンになり、スイッチトランジスタＱ２がオフになった状態を維持し続け、誘導コイルＬは図４における電流ｉ２と同じ方向で放電して第１コンデンサＣ１を充電し、それにより、誘導コイルＬを正方向に流れる電流は、誘導コイルＬの放電によって電流が０になるまで、徐々に小さくなる。この段階では、段階Ｓ１１において第１コンデンサＣ１は完全に放電したため、誘導コイルＬと、スイッチトランジスタＱ１を介して第１コンデンサＣ１と形成される回路とはインピーダンスがほとんどなく、従って、この段階Ｓ１２では、誘導コイルＬは主に放電して第１コンデンサＣ１を充電し、放電過程において誘導コイルＬを流れる電流は段階Ｓ１１における電流ｉ２と同じである。第２コンデンサＣ２は段階Ｓ１１において実質的に電池セル１０と同じ出力電圧に充電されており、この段階Ｓ１２では、誘導コイルＬは第２コンデンサＣ２に対してごく僅かに補償するが、基本的には無視される程度のものである。
【0034】
段階Ｓ１１及び段階Ｓ１２からなる完全な過程において、誘導コイルＬを流れる総電流は、０から最大まで正方向に増加してから、誘導コイルＬの放電によって０まで徐々に低下し、誘導コイルＬを流れる電流の方向は常に左から右への正方向である。
【0035】
Ｓ２０では、ステップＳ１０が完了した後、スイッチトランジスタＱ１をオフにし、スイッチトランジスタＱ２をオンにする。具体的には、次の２段階の過程を完了する。
【0036】
Ｓ２１では、スイッチトランジスタＱ２がオンになった時から、ＬＣＣ発振器２４内に図５に示す電流ｉ３及び電流ｉ４の回路が形成される。図５に示す電流経路によれば、電流ｉ３は電池セル１０の正極から順に第１コンデンサＣ１、誘導コイルＬ、スイッチトランジスタＱ２を経てから接地によって電池セル１０の負極に戻って回路を形成する。また、電流ｉ４は、第２コンデンサＣ２の正端から図に示す反時計回り方向に順に誘導コイルＬ、スイッチトランジスタＱ２を経てから第２コンデンサＣ２の負端に戻って回路を形成する。当該過程において、図５に示す誘導コイルＬを右から左へ流れる電流が形成され、図４における電流方向とは逆であり、負方向の電流とすることができる。
【0037】
段階Ｓ２１は第１コンデンサＣ１の充電、及び第２コンデンサＣ２の放電の両方をも含む。第１コンデンサＣ１の電圧が電池セル１０の出力電圧と等しくなるまで増大した場合、及び第２コンデンサＣ２両端の電圧差が０になった場合に、誘導コイルＬの電流は共振ピークが最大になる。
【0038】
Ｓ２２では、段階Ｓ２１が完了した後もスイッチトランジスタＱ２のオンを維持し続け、誘導コイルＬは第２コンデンサＣ２を逆方向に充電し、それにより、誘導コイルＬを負方向に流れる電流は、誘導コイルＬの放電によって電流が０になるまで、徐々に小さくなる。
【0039】
当該ステップＳ２０の段階Ｓ２１及び段階Ｓ２２からなる完全な過程において、誘導コイルＬを流れる総電流は同様に、０から最大まで逆方向に増加してから、誘導コイルＬの放電によって０まで徐々に低下する。
【0040】
以上において、ＬＣＣ発振器２４の発振における電流切替はスイッチトランジスタＱ１及びスイッチトランジスタＱ２からなるハーフブリッジ２３によって制御される。当然ながら、同様の実施形態に基づいて、当業者であれば、ＬＣＣ発振器２４の発振を駆動するために、４つのスイッチトランジスタを含むフルブリッジ回路に置き換えるか又はそれを用いることができる。
【0041】
従って、上記したＬＣＣ発振器２４の発振過程において、誘導コイルＬを流れる電流の変動は、図６に示すように、１つの完全な電流周期は、図６において以上の段階Ｓ１１／Ｓ１２／Ｓ２１／Ｓ２２にそれぞれ対応する４つの部分を含む。以上のステップＳ１０及びステップ２０では、スイッチトランジスタＱ１とスイッチトランジスタＱ２のオン・オフ状態を交互に循環的に切り替え、これにより、ＬＣＣ発振器２４内に以上の段階Ｓ１１／Ｓ１２／Ｓ２１／Ｓ２２の発振過程を循環的に発生させて、誘導コイルＬを流れる交番電流を形成することができる。
【0042】
従って、以上の制御過程から分かるように、本出願のＬＣＣ発振器２４は、従来のＬＣ発振器のＺＶＳ（ゼロ電圧スイッチング）インバータトポロジーと異なるＺＣＳ（ゼロ電流スイッチング）インバータトポロジーによって逆変換が発生する。そして、スイッチトランジスタＱ１及びスイッチトランジスタＱ２は、誘導コイルＬを流れる電流が０である時にオン／オフの切替が行われるように構成される。
【0043】
図３に示す好ましい実施形態において、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の数はいずれも１つである。他の選択的な実施形態において、第１コンデンサＣ１又は第２コンデンサＣ２のそれぞれは、互いに並列に接続された２つや３つの相対容量値がより小さいコンデンサからなるものであってもよい。例えば、第１コンデンサＣ１について、本来必要とされる相対的に大きなコンデンサの代わりに複数の小さなコンデンサを使用する場合、それらの容量は同じ又はほぼ同じであるため、それぞれはＬＣＣ発振器２４の発振周波数の変化に伴って、単一コンデンサの場合に比べて大幅に低下した、変化しているＥＳＲ（等価抵抗値）を示すことができ、具体的には、低周波数の場合にＥＳＲは相対的に高く、高周波数の場合にＥＳＲは相対的に低く、スパイクパルスの防止に有利であり得る。また、本来必要とされる相対的に大きなコンデンサの代わりに複数の小さなコンデンサを使用すると、ＬＣＣ発振器２４の共振周波数の低下に有利である。
【0044】
上記ＬＣＣ発振器２４を用いた回路２０は、実施においてＺＣＳ技術によって逆変換を形成し、従来の単一コンデンサによるＬＣ直列／並列発振に比べてほぼ半分の共振周波数を有する。通常、ＬＣ直列／並列発振の周波数が約３８０Ｈｚである場合、上記ＬＣＣ発振器２４の発振周波数は約１９０ＫＨｚであり、同期検出及びＭＣＵコントローラ２１の制御の両方にも有利である。
【0045】
また、以上の発振過程において、検出によって得られたＬＣＣ発振器２４の共振電圧及び電流の変動は図７に示され、共振電圧は共振電流よりも約周期の１／４進んでおり、ＬＣＣ発振器２４全体は弱い誘導性を示している。「容量性」、「誘導性」は電子デバイスの直並列回路（例えば、ＬＣ発振器又は上記ＬＣＣ発振器２４）に関する電気用語である。直並列回路の容量性リアクタンスが誘導性リアクタンスよりも大きい場合、回路は「容量性」であり、誘導性リアクタンスが容量性リアクタンスよりも大きい場合、回路は誘導性である。「弱い誘導性」の状態は、誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスとが実質的に近く、且つ誘導性リアクタンスが容量性リアクタンスよりもはるかに大きいのではなく僅かに大きい状態である。
【0046】
より好ましい実施形態において、以上のステップＳ１２及びステップＳ２２の実行中に、本来誘導コイルＬの放電によって電流が０になった時にオフにする必要があるスイッチトランジスタＱ１／スイッチトランジスタＱ２を少し早めにオフにし、他方を同時にオンにしないようにすることができる。例えば、図６に示すように、ステップＳ１２で誘導コイルＬの放電によって電流が０に近いが０になっていない時点ｔ２で、スイッチトランジスタＱ１を早めにオフにし、その後、誘導コイルＬの放電によって電流が０になった時点ｔ３で、スイッチトランジスタＱ２は依然としてオンになっているままである。実施において約０．１～０．５μｓ早めにオフにすることができ、誘導コイルＬが未だ０まで完全に放電していないため、スイッチトランジスタＱ２はフリーホイーリング状態になり、誘導コイルＬに残った少量の電気エネルギーで第２コンデンサＣ２を充電することができる。以上の０．１～０．５μｓのフリーホイーリング（いわゆるデッドタイム期間）の後、スイッチトランジスタＱ２両端の電圧差は実質的に完全に０に近くなり、この時点でスイッチトランジスタＱ２をオンにすると、損耗の程度が大いに低下し、安全効果が大幅に向上する。
【0047】
早めにオフにする以上の方法は、上記した図７において電圧が電流よりも進んでおり、そしてＬＣＣが弱い誘導性であるという特徴に対応して行われるものである。電流が０の時にオフにすると、電圧が電流を超えるＬＣＣ発振器２４は容量性であり、スイッチトランジスタを早めにオフにすることで保護ゾーン又は緩衝ゾーンを形成することができ、容量性や早く進むことといった好ましくない要因を排除するのに有利である。これにより、一方では、スイッチトランジスタＱ１／スイッチトランジスタＱ２のオン・オフの切替が同時に行われるのではなく、前者がオフになってから、後者がオンになるまでの間に上記した０．１～０．５μｓの保護時間差があり、オンになる直前のスイッチトランジスタの安全を守ることが可能になり、他方では、ＬＣＣ発振器２４が常に弱い誘導性の状態にあり、容量性又は強い誘導性になることはなく、効率が向上する。
【0048】
さらに、ＬＣＣ発振器２４の発振過程及び周期等の詳細を正確に検出するために、図２及び図３に示すように、実施では、ＬＣＣ発振器２４の発振過程における電流、電圧又は周期等の変化する物理的パラメータを同期検出する役割を果たす同期部２５をさらに含む。具体的には、図３に示す実施例において、当該同期部２５は主にオペアンプＵ１を含み、検出の信号入力端子は誘導コイルＬの第２端に接続され、ダイオード整流等の処理を経てから、オペアンプＵ１はここの電気信号をサンプリングして検出することができる。
【0049】
又は、選択的な実施形態において、オペアンプＵ１の基準信号端子を直接０と設定することで、それをＬＣＣ発振器２４の発振電流が０である時点を検出するためのゼロクロスコンパレータにし、その後、ＭＣＵコントローラ２１はこの検出結果に基づいて図６に示すゼロクロス時点と併せてＬＣＣ発振器２４の電流、電圧又は周期等の変化する物理的パラメータを取得する。
【0050】
さらに、図３に示す実施例を参照すると、ハーフブリッジドライバ２２が採用するのは、一般的な型番ＦＤ２２０４のスイッチトランジスタドライバであり、ＭＣＵコントローラ２１によってＰＷＭ方式で制御され、ＰＷＭのパルス幅に応じてそれぞれ第３と第１０のＩ／Ｏポートによってハイレベル／ローレベルを交互に出し、スイッチトランジスタＱ１、スイッチトランジスタＱ２のオン時間を駆動して、ＬＣＣ発振器２４の発振を制御する。
【0051】
以上の詳細な制御ステップから分かるように、ＬＣＣ逆変換の過程は対称的なものであり、デューティサイクルは５０％に近く、これに応じてＭＣＵコントローラ２１はデューティサイクル５０％のＰＷＭ制御信号をハーフブリッジドライバ２２に送信すれば、ハーフブリッジ２３がこの方式で切り替わるように駆動することができる。
【0052】
さらに、図２及び図３に示す好適な実施例を参照すると、回路２０は過電流監視部２６をさらに含み、当該過電流監視部２６は、電池セル１０とＬＣＣ発振器２４とからなる回路である主回路の電流値を監視して、電流が過大になる場合に発生する安全問題を防止するために用いられる。
【0053】
図３の実施形態において、過電流監視部２６はまず抵抗Ｒ１に基づいて実施され、ＬＣＣの発振過程においては、常に抵抗Ｒ１を介して接地することによって電池セル１０の負極と回路を形成し、よって、発振の過程において抵抗Ｒ１は常にＬＣＣ発振器２４と導通され、さらに抵抗Ｒ１の接地電圧を検出すれば、主回路の電流を得ることができる。具体的には、
図３では、過電流監視部２６はオペアンプＵ２及びオペアンプＵ３の２つのオペアンプを含む。実施において、その一方は比較演算のために用いられ、他方は出力増幅のために用いられる。図３の好ましい実施形態において、オペアンプＵ２は主に、Ｒ１両端の電圧値をサンプリングし、演算によって主回路の電流値の出力信号を生成するために用いられる。その後、オペアンプＵ２から出力された信号をオペアンプＵ３がさらに増幅した後、ＭＣＵコントローラ２１はサンプリングして取得する。
図３では、過電流監視部２６はオペアンプＵ２及びオペアンプＵ３の２つのオペアンプを含む。実施において、その一方は比較演算のために用いられ、他方は出力増幅のために用いられる。図３の好ましい実施形態において、オペアンプＵ２は主に、Ｒ１両端の電圧値をサンプリングし、演算によって主回路の電流値の出力信号を生成するために用いられる。その後、オペアンプＵ２から出力された信号をオペアンプＵ３がさらに増幅した後、ＭＣＵコントローラ２１はサンプリングして取得する。
【0054】
又は、他の変形実施例において、オペアンプＵ３はさらに、オペアンプＵ２から出力された電圧信号を閾値と比較する比較機能としても利用可能であり、閾値未満という比較結果であると、ＭＣＵコントローラ２１にローレベルの電圧信号を出力し、主回路の電流が所定の安全閾値以下であることを示し、閾値を超えるという比較結果であると、ＭＣＵコントローラ２１にハイレベルを出力し、主回路の電流が所定の安全閾値を超えることを示し、ＭＣＵコントローラ２１は当該結果に基づいてハーフブリッジ２３をオフにして発振を停止するように制御し、主回路の安全を確保する。
【0055】
さらに、図３に示す回路２０は、符号を付していない抵抗、コンデンサ等も含まれるが、回路２０において電流制限やフィルタリング等従来の汎用部材の機能を発揮し、当業者であれば理解しやすいため、詳記しない。
【0056】
説明すべきことは、本出願の明細書及び図面には本出願の好ましい実施例が示されたが、本出願は本明細書に説明した実施例に限定されず、さらに、当業者であれば、上記説明に基づいて改良や変換を加えることができ、これらの改良や変換は全て本出願の添付する特許請求の範囲の保護範囲に属するものとする点である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】