JP6609166B2 - High frequency power supply device and contactless power transmission system - Google Patents

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Description

本発明は、直流電流を高周波電流に変換して出力する高周波電源装置、および、当該高周波電源装置を備えた非接触電力伝送システムに関する。   The present invention relates to a high-frequency power supply device that converts a direct current into a high-frequency current and outputs the same, and a non-contact power transmission system including the high-frequency power supply device.

近年、電源装置から多機能携帯電話(スマートフォン)や電気自動車などに、金属製の接点やコネクタなどを介さずに電力を伝送する非接触電力伝送技術が注目されており、この非接触電力伝送技術では、数MHz〜数百MHzの高周波電力が用いられている。このような高周波電力を発生させる高周波電源装置には、スイッチング素子を2個使用したハーフブリッジ型のインバータ回路や、スイッチング素子を4個使用したフルブリッジ型のインバータ回路が一般的に用いられている。これらのインバータ回路を駆動するドライブ回路は、スイッチング損失を低減させるためにデッドタイムを設ける必要があり、回路構成が複雑になる。   In recent years, non-contact power transmission technology for transmitting power from a power supply device to a multi-function mobile phone (smart phone) or an electric vehicle without using a metal contact or connector has been attracting attention. However, high frequency power of several MHz to several hundred MHz is used. In such a high-frequency power supply device that generates high-frequency power, a half-bridge inverter circuit using two switching elements and a full-bridge inverter circuit using four switching elements are generally used. . The drive circuit that drives these inverter circuits needs to have a dead time in order to reduce switching loss, and the circuit configuration becomes complicated.

そこで、上記ハーフブリッジ型やフルブリッジ型インバータ回路の高電位側のスイッチング素子をインダクタに置き換えることで、ドライブ回路の構成を単純にしたインバータ回路、いわゆるE級アンプが知られている。例えば、特許文献1には、このような高周波電源装置を用いた非接触電力伝送装置が記載されている。   Therefore, an inverter circuit, a so-called class E amplifier, in which the configuration of the drive circuit is simplified by replacing the switching element on the high potential side of the half-bridge type or full-bridge type inverter circuit with an inductor is known. For example, Patent Document 1 describes a non-contact power transmission device using such a high-frequency power supply device.

特開2013−115908号公報JP2013-115908A

しかしながら、従来の高周波電源装置において、スイッチング素子に発生する電圧が大きくなり、インバータ回路に入力される直流電圧の3倍以上になることが知られている。したがって、用いるスイッチング素子を高耐圧のものにする必要がある。   However, it is known that in a conventional high-frequency power supply device, the voltage generated in the switching element becomes large and becomes three times or more of the DC voltage input to the inverter circuit. Therefore, the switching element to be used must have a high breakdown voltage.

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、スイッチング素子に発生する電圧を抑制することができる高周波電源装置および当該高周波電源装置を備えた非接触電力伝送システムを提供することにある。   Therefore, the present invention has been created in view of the above problems, and a purpose thereof is a high-frequency power supply device capable of suppressing a voltage generated in a switching element and a non-contact power transmission system including the high-frequency power supply device. Is to provide.

本発明の第1の側面によって提供される高周波電源装置は、直流電流を高周波電流に変換して出力する高周波電源装置であって、前記直流電流を発生させる直流電源と、高周波駆動信号に従い導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチング素子、および、少なくとも、前記高周波駆動信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになる回路部品を含んで構成され、前記直流電流を前記高周波電流に変換する高周波変換手段と、前記高周波変換手段の出力端に配置され、前記出力端から負荷側を見たインピーダンスを、前記出力端から前記直流電源側を見たインピーダンスに自動調整するインピーダンス整合手段と、を備える。   The high-frequency power supply device provided by the first aspect of the present invention is a high-frequency power supply device that converts a direct current into a high-frequency current and outputs the high-frequency power supply. And a switching element that switches between a non-conducting state and at least a circuit component having an impedance of zero at a frequency that is twice the frequency of the high-frequency drive signal, and that converts the direct current into the high-frequency current. Conversion means; and impedance matching means that is arranged at the output end of the high-frequency conversion means and automatically adjusts the impedance when the load side is viewed from the output end to the impedance when the DC power supply side is viewed from the output end. .

本発明の好ましい実施の形態において、前記高周波変換手段は、前記直流電源の高電位側の出力端子に直列に接続されたインダクタと、前記インダクタの出力側で前記インダクタに直列に接続された第1の共振回路と、をさらに含んでおり、前記スイッチング素子は、前記インダクタの出力側で前記インダクタに直列に接続されており、前記回路部品は、前記インダクタの出力側で前記スイッチング素子に並列に接続された第2の共振回路であって、前記高周波駆動信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになるように設定される。   In a preferred embodiment of the present invention, the high-frequency conversion means includes an inductor connected in series to an output terminal on the high potential side of the DC power supply, and a first connected in series to the inductor on the output side of the inductor. The switching element is connected in series to the inductor on the output side of the inductor, and the circuit component is connected in parallel to the switching element on the output side of the inductor. The second resonance circuit is set so that the impedance becomes zero at a frequency twice the frequency of the high-frequency drive signal.

本発明の好ましい実施の形態において、前記第2の共振回路は、インダクタとコンデンサとを直列に接続した直列共振回路である。   In a preferred embodiment of the present invention, the second resonance circuit is a series resonance circuit in which an inductor and a capacitor are connected in series.

本発明の好ましい他の実施の形態において、前記回路部品は、前記直流電源の高電位側の出力端子に直列に接続された伝送線路であり、前記スイッチング素子は、前記伝送線路の出力側で前記伝送線路に直列に接続されており、前記高周波変換手段は、前記伝送線路の出力側で前記伝送線路に直列に接続された第1の共振回路をさらに含んでおり、前記伝送線路の長さは、前記高周波変換手段から出力される高周波の、前記伝送線路における伝送波長の略4分の1である。   In another preferred embodiment of the present invention, the circuit component is a transmission line connected in series to an output terminal on the high potential side of the DC power supply, and the switching element is on the output side of the transmission line. The transmission line is connected in series, and the high-frequency conversion means further includes a first resonance circuit connected in series to the transmission line on the output side of the transmission line, and the length of the transmission line is The high frequency output from the high frequency conversion means is approximately one quarter of the transmission wavelength in the transmission line.

本発明の好ましい他の実施の形態において、前記高周波変換手段は、前記直流電源の高電位側の出力端子に直列に接続されたインダクタと、前記インダクタの出力側で前記インダクタに直列に接続された第1の共振回路と、をさらに含んでおり、前記スイッチング素子は、前記インダクタの出力側で前記インダクタに直列に接続されており、前記回路部品は、一方の端子が前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に接続され、他方の端子が開放された第1の伝送線路と、一方の端子が前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に接続され、他方の端子が短絡された第2の伝送線路とを有して、構成され、前記第1の伝送線路の長さおよび前記第2の伝送線路の長さはそれぞれ、前記高周波変換手段から出力される高周波の、各前記伝送線路における伝送波長の略8分の1の長さである。   In another preferred embodiment of the present invention, the high-frequency conversion means is connected in series to an output terminal on the high potential side of the DC power supply, and is connected in series to the inductor on the output side of the inductor. A first resonant circuit, wherein the switching element is connected in series to the inductor on the output side of the inductor, and the circuit component has one terminal at the inductor and the switching element. A first transmission line that is connected to the connection point of the first transmission line, the other terminal being open, and a second transmission in which one terminal is connected to the connection point of the inductor and the switching element, and the other terminal is short-circuited. And the length of the first transmission line and the length of the second transmission line are respectively high-frequency output from the high-frequency conversion means. Approximately 8 minutes 1 transmission wavelength in each said transmission line is long.

本発明の好ましい実施の形態において、前記伝送線路は、同軸ケーブルである。   In a preferred embodiment of the present invention, the transmission line is a coaxial cable.

本発明の好ましい実施の形態において、前記高周波駆動信号の周波数は、6.78MHz以上である。   In a preferred embodiment of the present invention, the frequency of the high frequency drive signal is 6.78 MHz or more.

本発明の好ましい実施の形態において、前記スイッチング素子は、FETで構成される。   In a preferred embodiment of the present invention, the switching element is composed of an FET.

本発明の好ましい実施の形態において、前記負荷側を見たインピーダンスあるいは前記高周波変換手段の出力端における反射波電力を検出する検出手段をさらに備え、前記インピーダンス整合手段は、2個の可変コンデンサと1個のインダクタとを有し、前記検出手段の検出値に基づき、前記可変コンデンサ毎に取り付けられたモータを駆動させることで、前記2個の可変コンデンサのキャパシタンスをそれぞれ変化させ、前記負荷側を見たインピーダンスを、前記直流電源側を見たインピーダンスに自動調整する。   In a preferred embodiment of the present invention, the apparatus further comprises detection means for detecting impedance viewed from the load side or reflected wave power at the output terminal of the high-frequency conversion means, and the impedance matching means comprises two variable capacitors and 1 Each of the two variable capacitors is driven by driving a motor attached to each of the variable capacitors based on a detection value of the detection means. The impedance is automatically adjusted to the impedance seen from the DC power supply side.

本発明の好ましい実施の形態において、前記高周波駆動信号を発生させ、前記スイッチング素子に入力する制御手段をさらに有し、前記制御手段は、前記高周波変換手段から出力される電力の所定期間内の平均値が目標出力電力となるように、前記高周波変換手段から高周波電力を出力する期間と出力しない期間との比率を変化させる。   In a preferred embodiment of the present invention, the apparatus further comprises control means for generating the high-frequency drive signal and inputting the high-frequency drive signal to the switching element, wherein the control means is an average of electric power output from the high-frequency conversion means within a predetermined period. The ratio of the period during which high-frequency power is output from the high-frequency conversion means and the period during which it is not output is changed so that the value becomes the target output power.

本発明の第2の側面によって提供される非接触電力伝送システムは、第1の側面によって提供される高周波電源装置と、互いに磁気結合された送電コイルと受電コイルとを有し、前記高周波電源装置から出力される高周波電力を前記送電コイルから前記受電コイルに非接触で伝送する電力伝送ユニットとを備える。   The contactless power transmission system provided by the second aspect of the present invention includes the high frequency power supply device provided by the first aspect, a power transmission coil and a power reception coil magnetically coupled to each other, and the high frequency power supply device A power transmission unit that transmits high-frequency power output from the power transmission coil to the power reception coil in a contactless manner.

本発明によれば、少なくとも、高周波駆動信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになる回路部品により、少なくとも2次の高調波を減衰させ、2次高調波成分により、スイッチング素子に発生する電圧を抑制することができる。したがって、高周波変換手段(インバータ回路)にE級アンプを用いた高周波電源装置よりも、当該高周波変換手段のスイッチング素子で発生する電圧を低く抑えることができる。さらに、高周波電源装置の内部にインピーダンス整合手段を設け、インピーダンス整合手段により、高周波変換手段の出力端から負荷側を見たインピーダンスが、前記出力端から直流電源側を見たインピーダンスに自動的に調整するようにした。これにより、上記負荷側を見たインピーダンスが変化した場合でも、自動的に負荷側を見たインピーダンスが直流電源側を見たインピーダンスに整合されるため、反射波電力を抑えることができる。したがって、大きな反射波電力がスイッチング素子に入力されることを抑制できるため、反射波電力による、スイッチング素子に発生する電圧も抑制することができる。   According to the present invention, at least the second harmonic is attenuated by the circuit component whose impedance is zero at least twice the frequency of the high frequency drive signal, and is generated in the switching element by the second harmonic component. Voltage can be suppressed. Therefore, the voltage generated in the switching element of the high-frequency conversion means can be suppressed lower than that of the high-frequency power supply device using the class E amplifier for the high-frequency conversion means (inverter circuit). Furthermore, impedance matching means is provided inside the high-frequency power supply device, and the impedance matching means automatically adjusts the impedance seen from the output end of the high-frequency conversion means to the impedance seen from the output end to the DC power supply side. I tried to do it. Thereby, even when the impedance seen from the load side changes, the impedance seen from the load side is automatically matched to the impedance seen from the DC power supply side, so that the reflected wave power can be suppressed. Therefore, since it is possible to suppress large reflected wave power from being input to the switching element, it is possible to suppress a voltage generated in the switching element due to the reflected wave power.

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。   Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

第1実施形態に係る非接触電力伝送システムの全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole non-contact electric power transmission system composition concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る高周波変換部の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the high frequency conversion part which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る高周波変換部の回路構成(変形例)を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure (modification) of the high frequency conversion part which concerns on 1st Embodiment. インピーダンス整合部の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of an impedance matching part. インピーダンス整合部の構成例(変形例)を示す図である。It is a figure which shows the structural example (modification) of an impedance matching part. 第1実施形態に係る高周波電源装置および従来のインバータ回路を用いて、シミュレーションしたときのスイッチング素子のドレイン電圧の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the drain voltage of the switching element when it simulates using the high frequency power supply device which concerns on 1st Embodiment, and the conventional inverter circuit. 第2実施形態に係る高周波変換部の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the high frequency conversion part which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る高周波変換部の回路構成(変形例)を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure (modification) of the high frequency conversion part which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る高周波電源装置および従来のインバータ回路を用いて、シミュレーションしたときのスイッチング素子のドレイン電圧の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the drain voltage of the switching element when it simulates using the high frequency power supply device which concerns on 2nd Embodiment, and the conventional inverter circuit. 第3実施形態に係る高周波変換部の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the high frequency conversion part which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る伝送線路部のインピーダンスの大きさの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the magnitude | size of the impedance of the transmission line part which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る高周波変換部の回路構成(変形例)を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure (modification) of the high frequency conversion part which concerns on 3rd Embodiment. 変形例における高周波電力のPDM制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the PDM control of the high frequency electric power in a modification.

本発明に係る高周波電源装置、および、当該高周波電源装置を備えた非接触電力伝送システムについて、図面を参照して説明する。   A high frequency power supply device according to the present invention and a non-contact power transmission system including the high frequency power supply device will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAの全体構成を示している。本実施形態に係る非接触電力伝送システムAは、高周波電力を発生させる高周波電源装置1と、高周波電源装置1が発生させた高周波電力を非接触で送電する送電ユニット2と、送電ユニット2から送電された高周波電力を受電する受電ユニット3と、受電ユニット3が受電した高周波電力を用いてバッテリ5を充電する充電装置4と、を有して構成される。すなわち、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAを、充電システムに適用した態様を説明する。   FIG. 1 shows the overall configuration of a non-contact power transmission system A according to the first embodiment of the present invention. A contactless power transmission system A according to the present embodiment includes a high frequency power supply device 1 that generates high frequency power, a power transmission unit 2 that transmits the high frequency power generated by the high frequency power supply device 1 in a contactless manner, and power transmission from the power transmission unit 2. The power receiving unit 3 that receives the received high frequency power and the charging device 4 that charges the battery 5 using the high frequency power received by the power receiving unit 3 are configured. That is, the aspect which applied the non-contact electric power transmission system A which concerns on 1st Embodiment to the charging system is demonstrated.

非接触電力伝送システムAでは、送電ユニット2から受電ユニット3に電力を伝送させるとき、数MHz〜数百MHzの高周波電力を用いる。送電ユニット2の送電コイルL2と受電ユニット3の受電コイルL3とは互いに磁気結合しており、送電コイルL2に流れる高周波電流により、送電コイルL2に発生する磁束を変化させ、この磁束の変化により、受電コイルL3に高周波電流が流れる。なお、送電コイルL2(L3)のインダクタンスとコンデンサC2(C3)のキャパシタンスとは、高周波電源装置1が出力する周波数に共振する値に調整されている。これにより、非接触電力伝送システムAでは、送電ユニット2から受電ユニット3に、非接触で電力を伝送している。なお、本実施形態において、非接触電力伝送方式として、磁界共鳴方式を用いる場合を例に説明するが、他の伝送方式を用いてもよい。   In the non-contact power transmission system A, when power is transmitted from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3, high frequency power of several MHz to several hundred MHz is used. The power transmission coil L2 of the power transmission unit 2 and the power reception coil L3 of the power reception unit 3 are magnetically coupled to each other. The high frequency current flowing in the power transmission coil L2 changes the magnetic flux generated in the power transmission coil L2, and the change in the magnetic flux A high frequency current flows through the receiving coil L3. Note that the inductance of the power transmission coil L2 (L3) and the capacitance of the capacitor C2 (C3) are adjusted to values that resonate with the frequency output by the high-frequency power supply device 1. Thereby, in the non-contact power transmission system A, power is transmitted from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3 in a non-contact manner. In the present embodiment, a case where the magnetic resonance method is used as the non-contact power transmission method will be described as an example, but other transmission methods may be used.

このような第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAの各構成要素について、詳しく説明する。   Each component of the non-contact power transmission system A according to the first embodiment will be described in detail.

高周波電源装置1は、図示しない商用電源から入力される商用電力(交流)を高周波電力(交流)に変換することで、高周波電力を発生させるものである。高周波電源装置1は、直流電源部11、高周波変換部12、電力検出部13、インピーダンス整合部14、および、電源制御部15を含んで構成される。   The high frequency power supply device 1 generates high frequency power by converting commercial power (alternating current) input from a commercial power source (not shown) into high frequency power (alternating current). The high frequency power supply device 1 includes a DC power supply unit 11, a high frequency conversion unit 12, a power detection unit 13, an impedance matching unit 14, and a power supply control unit 15.

直流電源部11は、直流電流を生成し、高周波変換部12に出力するものである。直流電源部11は、図示しない商用電源から入力される交流電圧(例えば、商用電圧200[V]など)を図示しない整流回路によって整流し、図示しない平滑回路によって平滑することで、直流電圧に変換する。そして、図示しないDC−DCコンバータによって、所定のレベル(設定電圧値)の直流電圧に変換する。直流電源部11は、電源制御部15から入力される駆動信号S1によって、DC−DCコンバータの変換動作を制御することにより、整流、平滑後の直流電圧を所定のレベルの直流電圧に変換する。   The DC power supply unit 11 generates a DC current and outputs it to the high-frequency conversion unit 12. The DC power supply unit 11 rectifies an AC voltage (for example, a commercial voltage 200 [V]) input from a commercial power supply (not shown) by a rectifier circuit (not shown) and smoothes it by a smoothing circuit (not shown), thereby converting it into a DC voltage. To do. Then, it is converted into a DC voltage of a predetermined level (set voltage value) by a DC-DC converter (not shown). The DC power supply unit 11 converts the DC voltage after rectification and smoothing into a DC voltage of a predetermined level by controlling the conversion operation of the DC-DC converter by the drive signal S1 input from the power supply control unit 15.

高周波変換部12は、直流電源部11から入力される直流電流を高周波電流に変換するものである。高周波変換部12は、電源制御部15から入力される高周波駆動信号S2でスイッチング素子Qをスイッチングすることで、高周波電流を生成する。図2は、高周波変換部12の回路構成を示す図である。図示するように、高周波変換部12は、第1のコンデンサCfと、インダクタLfと、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ(FET)などのスイッチング素子Qと、ダイオードDと、第2のコンデンサCsと、インダクタとコンデンサとを直列に接続した第1の共振回路LCfと、インダクタとコンデンサとを直列に接続した第2の共振回路LCsとを含んで構成される。なお、本実施形態においては、スイッチング素子QとしてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を使用している。   The high frequency converter 12 converts a direct current input from the direct current power supply unit 11 into a high frequency current. The high frequency conversion unit 12 generates a high frequency current by switching the switching element Q with the high frequency drive signal S2 input from the power supply control unit 15. FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of the high-frequency converter 12. As shown in the figure, the high frequency converter 12 includes a first capacitor Cf, an inductor Lf, a switching element Q such as a bipolar transistor or a field effect transistor (FET), a diode D, a second capacitor Cs, and an inductor. And a first resonance circuit LCf in which a capacitor is connected in series, and a second resonance circuit LCs in which an inductor and a capacitor are connected in series. In the present embodiment, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used as the switching element Q.

高周波変換部12において、第1のコンデンサCfが直流電源部11に並列に接続されている。そして、直流電源部11の高電位側の出力端子には、インダクタLfの一端(入力側の端子)が接続され、直列接続されている。スイッチング素子Qのドレイン端子は、インダクタLfの他端(出力側の端子)と接続され、ソース端子は、直流電源部11の低電位側の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子Qのゲート端子は、電源制御部15に接続されている。ダイオードDは、スイッチング素子Qに逆並列に接続され、第2のコンデンサCsは、スイッチング素子Qに並列に接続されている。第1の共振回路LCfは、インダクタLfの出力側の端子に直列に接続されている。第2の共振回路LCsは、直流電源部11に並列に接続され、その一端が、インダクタLfの出力側の端子とスイッチング素子Qのドレイン端子との接続点に接続され、その他端が直流電源部11の低電位側の出力端子に接続されている。   In the high frequency converter 12, the first capacitor Cf is connected to the DC power supply unit 11 in parallel. One end (input side terminal) of the inductor Lf is connected to the output terminal on the high potential side of the DC power supply unit 11 and connected in series. The drain terminal of the switching element Q is connected to the other end (terminal on the output side) of the inductor Lf, and the source terminal is connected to the output terminal on the low potential side of the DC power supply unit 11. The gate terminal of the switching element Q is connected to the power supply control unit 15. The diode D is connected in antiparallel to the switching element Q, and the second capacitor Cs is connected in parallel to the switching element Q. The first resonance circuit LCf is connected in series to the output-side terminal of the inductor Lf. The second resonance circuit LCs is connected in parallel to the DC power supply unit 11, one end of which is connected to the connection point between the output side terminal of the inductor Lf and the drain terminal of the switching element Q, and the other end is connected to the DC power supply unit. 11 is connected to the output terminal on the low potential side.

このように構成された高周波変換部12では、スイッチング素子Qのゲート端子に電源制御部15から高周波駆動信号S2が入力され、スイッチング素子Qがオン・オフされるようになっている。高周波駆動信号S2は、後述するように、所定の周波数f(例えば、13.56MHz)でオン電圧とオフ電圧とを繰り返すパルス信号である。スイッチング素子Qは、高周波駆動信号S2がオン電圧のとき導通状態(オン)になり、高周波駆動信号S2がオフ電圧のとき非導通状態(オフ)になる。そのため、スイッチング素子Qがオンのとき、スイッチング素子Qを通って電流が流れ、スイッチング素子Qがオフのとき、第2のコンデンサCsを通って電流が流れるようになる。また、第1の共振回路LCfの共振周波数は、高周波変換部12の出力周波数f(本実施形態においては13.56MHz)に設定されており、高周波変換部12は、この第1の共振回路LCfの存在により、共振周波数に応じた正弦波状の交流電流を発生させる。これにより、当該正弦波状の交流電流が高周波変換部12から出力される。   In the high-frequency conversion unit 12 configured as described above, the high-frequency drive signal S2 is input from the power supply control unit 15 to the gate terminal of the switching element Q, and the switching element Q is turned on / off. The high frequency drive signal S2 is a pulse signal that repeats an on voltage and an off voltage at a predetermined frequency f (for example, 13.56 MHz), as will be described later. The switching element Q is in a conductive state (on) when the high-frequency drive signal S2 is on-voltage, and is in a non-conduction state (off) when the high-frequency drive signal S2 is off-voltage. Therefore, a current flows through the switching element Q when the switching element Q is on, and a current flows through the second capacitor Cs when the switching element Q is off. The resonance frequency of the first resonance circuit LCf is set to the output frequency f (13.56 MHz in the present embodiment) of the high-frequency conversion unit 12, and the high-frequency conversion unit 12 Therefore, a sinusoidal alternating current corresponding to the resonance frequency is generated. As a result, the sinusoidal alternating current is output from the high frequency converter 12.

また、第1のコンデンサCfは、直流電源部11から出力される直流電圧を平滑化し、インダクタLfは、第1のコンデンサCfにより平滑化された直流電圧に基づいて、高周波変換部12に一定の電流を供給するための直流電流源として動作する。さらに、ダイオードDは、いわゆるフライホイールダイオードであって、スイッチング素子Qの切り替えによって発生する逆起電力による逆方向の高い電圧がスイッチング素子Qに印加されないようにしている。なお、スイッチング素子Qが内部にダイオードの動作をする機能を有する場合は、ダイオードDを設けないようにしてもよい。そして、第2の共振回路LCsは、高周波駆動信号S2の周波数f(スイッチング周波数f)の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになるように設定されている。これにより、スイッチング周波数fの2倍の周波数成分(2次の高調波)の電流を短絡させることができる。よって、スイッチング素子Qに発生するスイッチング周波数fの2次の高調波電圧を減衰させることができる。   The first capacitor Cf smoothes the DC voltage output from the DC power supply unit 11, and the inductor Lf supplies a constant voltage to the high-frequency conversion unit 12 based on the DC voltage smoothed by the first capacitor Cf. It operates as a direct current source for supplying current. Further, the diode D is a so-called flywheel diode, and prevents a high reverse voltage due to the counter electromotive force generated by switching the switching element Q from being applied to the switching element Q. When the switching element Q has a function of operating as a diode inside, the diode D may not be provided. The second resonance circuit LCs is set so that the impedance becomes zero at a frequency twice the frequency f (switching frequency f) of the high-frequency drive signal S2. Thereby, the current of the frequency component (second harmonic) twice the switching frequency f can be short-circuited. Therefore, the second harmonic voltage of the switching frequency f generated in the switching element Q can be attenuated.

なお、高周波変換部12は、図3に示すように、上記図2に示す高周波変換部12の回路を2個正負対称に接続して、それぞれ一方の極性の信号のみを増幅するプッシュプル回路で構成してもよい。この場合も、各第2の共振回路LCsにより、スイッチング周波数fの2次の高調波電流が短絡されるので、当該2次の高調波がスイッチング素子Qに発生する電圧を減衰させることができる。   As shown in FIG. 3, the high-frequency converter 12 is a push-pull circuit that connects two circuits of the high-frequency converter 12 shown in FIG. 2 symmetrically and amplifies only one polarity signal. It may be configured. Also in this case, since the second harmonic current of the switching frequency f is short-circuited by each second resonance circuit LCs, the voltage generated by the second harmonic in the switching element Q can be attenuated.

電力検出部13は、高周波変換部12から出力される進行波電力Pfをモニタするためのものである。電力検出部13は、方向性結合器を含み、その方向性結合器から高周波電圧に含まれる進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとを検出する。電力検出部13は、進行波電圧Vfを進行波電力Pfに変換して電源制御部15に出力する。さらに、反射波電圧Vrも反射波電力Prに変換して電源制御部15に出力するようにしてもよい。なお、進行波電力Pfおよび反射波電力Prを、後述する検出器141が検出するようにしてもよい。   The power detection unit 13 is for monitoring the traveling wave power Pf output from the high frequency conversion unit 12. The power detection unit 13 includes a directional coupler, and detects a traveling wave voltage Vf and a reflected wave voltage Vr included in the high frequency voltage from the directional coupler. The power detection unit 13 converts the traveling wave voltage Vf into traveling wave power Pf and outputs it to the power supply control unit 15. Further, the reflected wave voltage Vr may be converted into the reflected wave power Pr and output to the power supply control unit 15. The traveling wave power Pf and the reflected wave power Pr may be detected by a detector 141 described later.

インピーダンス整合部14は、高周波変換部12から出力された進行波がインピーダンス整合部14で反射する量(反射波電力Pr)を抑えるために、高周波変換部12の出力端から負荷側(バッテリ5側)を見たインピーダンス(以下、「負荷側インピーダンス」という。)を高周波変換部12の出力端から直流電源部11側を見たインピーダンス(以下、「電源側インピーダンス」という。)(例えば、50Ω)に整合させるインピーダンスマッチングを行う。図4は、インピーダンス整合部14の回路構成の一例を示す図である。図示するように、インピーダンス整合部14は、検出器141と、2個の可変コンデンサ142,143と、1個のインダクタ144と、2個のモータ145,146とを含んで構成される。可変コンデンサ142とインダクタ144とを直列に接続した回路と、可変コンデンサ143とは逆L型に接続されている。   The impedance matching unit 14 is connected to the load side (battery 5 side) from the output end of the high frequency conversion unit 12 in order to suppress the amount of reflected wave output from the high frequency conversion unit 12 (reflected wave power Pr). ) Impedance (hereinafter referred to as “load-side impedance”) viewed from the output terminal of the high-frequency converter 12 to the DC power supply 11 side (hereinafter referred to as “power-side impedance”) (for example, 50Ω) Impedance matching is performed to match. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the impedance matching unit 14. As illustrated, the impedance matching unit 14 includes a detector 141, two variable capacitors 142 and 143, one inductor 144, and two motors 145 and 146. A circuit in which the variable capacitor 142 and the inductor 144 are connected in series and the variable capacitor 143 are connected in an inverted L shape.

検出器141は、負荷側インピーダンスを検出するものであり、電流・電圧センサおよび演算部を含んで構成される。電流・電圧センサは、高周波変換部12の出力側で、高周波電流および高周波電圧を検出し、検出した電流信号および電圧信号を演算部に出力する。そして、演算部は、電流・電圧センサから入力される電流信号および電圧信号から電流実効値、電圧実効値、および、電流信号と電圧信号の位相差を演算する。そして、これらのパラメータを用いて、負荷側インピーダンスを検出する。検出器141が検出した負荷側インピーダンスは、電源制御部15に出力される。なお、検出器141は、高周波電源装置1の内部であり、負荷側インピーダンスを検出できる位置に備えられていればよく、インピーダンス整合部14の内部である必要はない。なお、検出器141が、さらに、上記検出値を用いて所定の演算を行うことで、高周波変換部12から出力される進行波電力Pfおよび反射波電力Prを求め、電源制御部15に出力するようにしてもよい。この場合、高周波電源装置1に電力検出部13を備えていなくてもよい。   The detector 141 detects load side impedance, and includes a current / voltage sensor and a calculation unit. The current / voltage sensor detects a high-frequency current and a high-frequency voltage on the output side of the high-frequency conversion unit 12, and outputs the detected current signal and voltage signal to the calculation unit. The computing unit computes the current effective value, the voltage effective value, and the phase difference between the current signal and the voltage signal from the current signal and the voltage signal input from the current / voltage sensor. Then, the load side impedance is detected using these parameters. The load side impedance detected by the detector 141 is output to the power supply control unit 15. The detector 141 may be provided inside the high frequency power supply device 1 and at a position where the load side impedance can be detected, and need not be inside the impedance matching unit 14. The detector 141 further performs a predetermined calculation using the detected value to obtain the traveling wave power Pf and the reflected wave power Pr output from the high frequency converter 12 and outputs them to the power supply controller 15. You may do it. In this case, the high-frequency power supply device 1 may not include the power detection unit 13.

可変コンデンサ142,143は、キャパシタンスを変化させることができるコンデンサである。本実施形態においては、可変コンデンサ142,143は、互いに対向している一対の電極の一方が可動電極で構成され、可動電極を回動させることにより電極対向面積を変化させるタイプのバリアブルコンデンサで構成している。なお、キャパシタンスを変化させることができるものであれば、これに限定されない。   The variable capacitors 142 and 143 are capacitors that can change the capacitance. In the present embodiment, the variable capacitors 142 and 143 are constituted by variable capacitors of a type in which one of a pair of electrodes facing each other is configured by a movable electrode and the electrode facing area is changed by rotating the movable electrode. doing. Note that the present invention is not limited to this as long as the capacitance can be changed.

可変コンデンサ142,143にはそれぞれ、可動電極を回転させるためのモータ145,146が取り付けられている。モータ145,146にそれぞれ、電源制御部15からモータ駆動信号S3,S4(駆動電圧)が入力され、当該モータ駆動信号S3,S4に従い、モータ145,146が駆動することで、可変コンデンサ142,143の可動電極を回動させる。これにより、可変コンデンサ142,143のキャパシタンスがそれぞれ任意のキャパシタンスに制御される。なお、可変コンデンサ142,143にはそれぞれ、電源制御部15が可動電極の回転位置を監視するために、可動電極の回転位置を検出する位置検出センサ(図示しない)が取り付けられており、当該位置検出センサの検出信号が電源制御部15に入力される。また、インダクタ144のインダクタンスは、所定の値に設定されている。   Motors 145 and 146 for rotating the movable electrode are attached to the variable capacitors 142 and 143, respectively. The motor drive signals S3 and S4 (drive voltage) are input to the motors 145 and 146 from the power supply control unit 15, respectively, and the motors 145 and 146 are driven according to the motor drive signals S3 and S4, whereby the variable capacitors 142 and 143 are obtained. The movable electrode is rotated. Thereby, the capacitances of the variable capacitors 142 and 143 are controlled to arbitrary capacitances, respectively. Each of the variable capacitors 142 and 143 is provided with a position detection sensor (not shown) for detecting the rotational position of the movable electrode so that the power supply control unit 15 monitors the rotational position of the movable electrode. A detection signal from the detection sensor is input to the power supply control unit 15. Further, the inductance of the inductor 144 is set to a predetermined value.

以上のことから、インピーダンス整合部14は、電源制御部15から入力されるモータ駆動信号S3,S4により可変コンデンサ142,143のキャパシタンスが調整されることで、インピーダンスマッチングを行う。   From the above, the impedance matching unit 14 performs impedance matching by adjusting the capacitances of the variable capacitors 142 and 143 by the motor drive signals S3 and S4 input from the power supply control unit 15.

なお、インピーダンス整合部14は、負荷側インピーダンスを電源側インピーダンスに自動的に整合できるものであれば、図4に示す構成に限定されない。例えば、図5に示すように、2個の可変コンデンサ142,143とインダクタ144とをπ型に接続したインピーダンス整合部14’を用いてもよい。   The impedance matching unit 14 is not limited to the configuration shown in FIG. 4 as long as the load side impedance can be automatically matched to the power source side impedance. For example, as shown in FIG. 5, an impedance matching unit 14 ′ in which two variable capacitors 142 and 143 and an inductor 144 are connected in a π type may be used.

電源制御部15は、高周波電源装置1の全体を制御するものであり、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を備えるマイクロコンピュータやFPGAで構成される。電源制御部15は、直流電源部11に駆動信号S1を、高周波変換部12に高周波駆動信号S2を、そして、インピーダンス整合部14にモータ駆動信号S3,S4を入力することで、これらを制御する。   The power supply control unit 15 controls the entire high-frequency power supply device 1 and is composed of, for example, a microcomputer or FPGA including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), and a RAM (Random Access Memory). The The power supply control unit 15 controls the DC power supply unit 11 by inputting the drive signal S1, the high frequency conversion unit 12 to the high frequency drive signal S2, and the impedance matching unit 14 by inputting the motor drive signals S3 and S4. .

電源制御部15は、フィードバック制御によって、直流電源部11で生成される直流電圧のレベルを変化させることにより、高周波変換部12から出力される高周波電圧のレベルを変化させる。高周波電圧のレベルが変化すると、高周波電源装置1から出力される進行波電力Pfが変化するので、電源制御部15は、進行波電力Pfと目標出力電力Pfsの電力差ΔPfを監視し、その電力差ΔPfがゼロになるように直流電源部11の出力電圧を調整する。具体的には、電源制御部15は、電力検出部13から入力される進行波電力Pfに基づいて、駆動信号S1を生成して、直流電源部11に出力する。駆動信号S1は、高周波電源装置1の出力電力(進行波電力Pf)が目標出力電力Pfsとなるように、直流電源部11の出力電圧を制御する信号である。目標出力電力Pfsは、図示しない入力装置を操作することで、手動で入力するようにしてもよいし、予め設定されたプログラムにより自動で入力するようにしてもよい。電源制御部15は、電力検出部13から入力される進行波電力Pfの検出値と、目標出力電力Pfsの電力差ΔPf(=Pfs−Pf)を演算し、その電力差ΔPfをゼロにするための制御パルス信号を生成する。そして、当該制御パルス信号を図示しないドライブ回路でDC−DCコンバータを駆動できるレベルに増幅して、駆動信号S1として直流電源部11に出力する。   The power supply control unit 15 changes the level of the high-frequency voltage output from the high-frequency conversion unit 12 by changing the level of the DC voltage generated by the DC power supply unit 11 by feedback control. When the level of the high frequency voltage changes, the traveling wave power Pf output from the high frequency power supply device 1 changes, so the power supply control unit 15 monitors the power difference ΔPf between the traveling wave power Pf and the target output power Pfs, and the power The output voltage of the DC power supply unit 11 is adjusted so that the difference ΔPf becomes zero. Specifically, the power supply control unit 15 generates the drive signal S <b> 1 based on the traveling wave power Pf input from the power detection unit 13 and outputs the drive signal S <b> 1 to the DC power supply unit 11. The drive signal S1 is a signal for controlling the output voltage of the DC power supply unit 11 so that the output power (traveling wave power Pf) of the high-frequency power supply device 1 becomes the target output power Pfs. The target output power Pfs may be manually input by operating an input device (not shown), or may be automatically input by a preset program. The power supply control unit 15 calculates a power difference ΔPf (= Pfs−Pf) between the detected value of the traveling wave power Pf input from the power detection unit 13 and the target output power Pfs, and sets the power difference ΔPf to zero. The control pulse signal is generated. Then, the control pulse signal is amplified to a level at which the DC-DC converter can be driven by a drive circuit (not shown), and is output to the DC power supply unit 11 as the drive signal S1.

また、電源制御部15は、高周波駆動信号S2を高周波変換部12に入力することで、直流電流を高周波電流に変換する高周波変換制御を行う。電源制御部15は、基準クロックに基づいて、所定の周波数fの、オン電圧とオフ電圧とを有するパルス信号(なお、正弦波信号などでもよい)を生成し、当該パルス信号を図示しないドライブ回路でスイッチング素子Qを駆動できるレベルに増幅して、高周波駆動信号S2として、高周波変換部12に出力する。本実施形態において、電源制御部15は、13.56MHzのパルス信号を、高周波駆動信号S2として、高周波変換部12に出力するため、高周波変換部12から出力される高周波電圧の周波数は13.56MHzとなる。   Moreover, the power supply control part 15 performs the high frequency conversion control which converts a direct current into a high frequency current by inputting the high frequency drive signal S2 into the high frequency conversion part 12. The power supply control unit 15 generates a pulse signal (which may be a sine wave signal or the like) having an on-voltage and an off-voltage having a predetermined frequency f based on the reference clock, and a drive circuit (not shown) Is amplified to a level at which the switching element Q can be driven, and is output to the high-frequency converter 12 as a high-frequency drive signal S2. In the present embodiment, since the power supply control unit 15 outputs a 13.56 MHz pulse signal as the high frequency drive signal S2 to the high frequency conversion unit 12, the frequency of the high frequency voltage output from the high frequency conversion unit 12 is 13.56 MHz. It becomes.

さらに、電源制御部15は、インピーダンス整合部14を制御することで、負荷側インピーダンスを電源側インピーダンスに整合するインピーダンスマッチングを行う。具体的には、電源制御部15は、検出器141が検出した負荷側インピーダンスが電源側インピーダンスに整合するように、モータ145,146にそれぞれモータ駆動信号S3,S4を入力することで、モータ145,146の駆動を制御する。このとき、電源制御部15は、各可変コンデンサ142,143に取り付けられた位置検出センサからの検出信号により可動電極の回転位置を監視しながら、モータ145,146の駆動を制御する。そして、モータ145,146の駆動を制御し、可変コンデンサ142,143のキャパシタンスを調整する。これにより、インピーダンスマッチングが行われる。なお、電源制御部15は、負荷側インピーダンスではなく、電力検出部13が検出する反射波電力Prを用いて、当該反射波電力Prがゼロになるように、インピーダンスマッチングを行ってもよい。この場合、電力検出部14が、特許請求の範囲に記載の「検出手段」に相当する。また、反射波電力Prを用いて、インピーダンスマッチングを行う場合、インピーダンス整合部14に検出器141を備えていなくてもよい。   Furthermore, the power supply control unit 15 controls the impedance matching unit 14 to perform impedance matching for matching the load side impedance to the power supply side impedance. Specifically, the power supply control unit 15 inputs motor drive signals S3 and S4 to the motors 145 and 146, respectively, so that the load-side impedance detected by the detector 141 matches the power-supply-side impedance. , 146 is controlled. At this time, the power supply control unit 15 controls driving of the motors 145 and 146 while monitoring the rotational position of the movable electrode based on a detection signal from a position detection sensor attached to each of the variable capacitors 142 and 143. Then, the driving of the motors 145 and 146 is controlled, and the capacitances of the variable capacitors 142 and 143 are adjusted. Thereby, impedance matching is performed. The power supply control unit 15 may perform impedance matching using the reflected wave power Pr detected by the power detection unit 13 instead of the load side impedance so that the reflected wave power Pr becomes zero. In this case, the power detection unit 14 corresponds to “detection means” described in the claims. In addition, when impedance matching is performed using the reflected wave power Pr, the impedance matching unit 14 may not include the detector 141.

送電ユニット2は、高周波電源装置1から入力される高周波電力を受電ユニット3に非接触で伝送するものである。送電ユニット2は、複数ターンの円形コイルからなる送電コイルL2と、その送電コイルL2に直列に接続されたコンデンサC2との直列共振回路で構成される。送電ユニット2では、直列共振回路の共振周波数が高周波電源装置1から出力される高周波電力の周波数(高周波変換部12の出力周波数f)に調整されている。   The power transmission unit 2 transmits the high frequency power input from the high frequency power supply device 1 to the power receiving unit 3 in a contactless manner. The power transmission unit 2 includes a series resonance circuit including a power transmission coil L2 formed of a circular coil having a plurality of turns and a capacitor C2 connected in series to the power transmission coil L2. In the power transmission unit 2, the resonance frequency of the series resonance circuit is adjusted to the frequency of the high frequency power output from the high frequency power supply device 1 (the output frequency f of the high frequency converter 12).

受電ユニット3は、送電ユニット2から送電された高周波電力を非接触で受電するものである。受電ユニット3は、送電ユニット2と同一の構成を有し、複数ターンの円形コイルからなる受電コイルL3と、その受電コイルL3に直列に接続されたコンデンサC3との直列共振回路で構成される。受電ユニット3も、直列共振回路の共振周波数が高周波電源装置1から出力される高周波電力の周波数(高周波変換部12の出力周波数f)に調整されている。   The power receiving unit 3 receives the high-frequency power transmitted from the power transmission unit 2 in a contactless manner. The power reception unit 3 has the same configuration as that of the power transmission unit 2 and is configured by a series resonance circuit including a power reception coil L3 formed of a multi-turn circular coil and a capacitor C3 connected in series to the power reception coil L3. In the power receiving unit 3 as well, the resonance frequency of the series resonance circuit is adjusted to the frequency of the high frequency power output from the high frequency power supply device 1 (the output frequency f of the high frequency converter 12).

なお、送電ユニット2および受電ユニット3は、送電ユニット2から受電ユニット3に非接触で高周波電力を伝送可能な構成であれば、上記した構成に限定されない。例えば、送電ユニット2(受電ユニット3)において、送電コイルL2とコンデンサC2と(受電コイルL3とコンデンサC3と)を並列に接続した並列共振回路で構成してもよい。また、本実施形態において、上記するように送電ユニット2と受電ユニット3とが同一の構成である場合を例に説明しているが、送電側と受電側との共振回路の構成が異なっていてもよい。例えば、送電ユニット2を送電コイルL2とコンデンサC2との直列共振回路で構成し、受電ユニット3において受電コイルL3とコンデンサC3との並列共振回路で構成してもよい(その逆も同様)。また、送電コイルL2と受電コイルL3とはその大きさが異なるものであってもよい。   Note that the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are not limited to the above configuration as long as they can transmit high-frequency power from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3 in a contactless manner. For example, in the power transmission unit 2 (power reception unit 3), the power transmission coil L2 and the capacitor C2 (power reception coil L3 and capacitor C3) may be configured by a parallel resonance circuit connected in parallel. In the present embodiment, as described above, the case where the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 have the same configuration has been described as an example. However, the configurations of the resonance circuits on the power transmission side and the power reception side are different. Also good. For example, the power transmission unit 2 may be configured by a series resonance circuit of a power transmission coil L2 and a capacitor C2, and the power reception unit 3 may be configured by a parallel resonance circuit of a power reception coil L3 and a capacitor C3 (and vice versa). Further, the power transmission coil L2 and the power reception coil L3 may have different sizes.

充電装置4は、受電ユニット3が受電した高周波電力をバッテリ5の充電に適した電力に変換し、バッテリ5に供給することで、バッテリ5を充電するものである。充電装置4は、受電ユニット3から入力される高周波電力を整流、平滑化して直流電力に変換した後、バッテリ5の充電に適した電力に変換する。例えば、充電装置4は、整流平滑化後の直流電力を、定電流定電圧充電制御に適した電力に変換し、バッテリ5に供給する。   The charging device 4 charges the battery 5 by converting the high frequency power received by the power receiving unit 3 into power suitable for charging the battery 5 and supplying the power to the battery 5. The charging device 4 rectifies and smoothes the high-frequency power input from the power receiving unit 3 and converts it to DC power, and then converts it into power suitable for charging the battery 5. For example, the charging device 4 converts the rectified and smoothed DC power into power suitable for constant current and constant voltage charging control, and supplies the power to the battery 5.

バッテリ5は、電力を蓄積する二次電池であり、例えば、リチウム・イオン電池やニッケル水素電池などで構成される。バッテリ5がリチウム・イオン電池である場合、充電装置4による定電流定電圧制御で充電される。また、バッテリ5は、キャパシタなどの畜電器であってもよい。   The battery 5 is a secondary battery that stores electric power, and is composed of, for example, a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery. When the battery 5 is a lithium ion battery, it is charged by constant current and constant voltage control by the charging device 4. Further, the battery 5 may be a livestock appliance such as a capacitor.

このように構成された非接触電力伝送システムAの作用について、図6を用いて説明する。   The operation of the non-contact power transmission system A configured as described above will be described with reference to FIG.

図6は、シミュレーションにおける、高周波変換部12のスイッチング素子Qのドレイン電圧の波形(同図(a)参照)と従来のインバータ回路(E級アンプ)のスイッチング素子のドレイン電圧の波形(同図(b)参照)とを示している。シミュレーションでは、高周波変換部12に入力する直流電圧を200V、高周波駆動信号S2の周波数f(スイッチング周波数f)を13.56MHzとして、高周波電源装置1に50Ωの負荷を接続している。従来のインバータ回路においても、同等の条件としている。なお、図6(a)および図6(b)には、直流電源部11からの入力電圧も破線で記載している。   6 shows the waveform of the drain voltage of the switching element Q of the high-frequency converter 12 (see FIG. 6A) and the waveform of the drain voltage of the switching element of the conventional inverter circuit (class E amplifier) in the simulation. b)). In the simulation, the DC voltage input to the high frequency converter 12 is 200 V, the frequency f (switching frequency f) of the high frequency drive signal S2 is 13.56 MHz, and a 50Ω load is connected to the high frequency power supply device 1. The same conditions are used in the conventional inverter circuit. In FIG. 6A and FIG. 6B, the input voltage from the DC power supply unit 11 is also indicated by a broken line.

従来のインバータ回路の場合(第2の共振回路LCsを設けない場合)、図6(b)に示すように、直流入力電圧が200Vであるのに対して、スイッチング素子がオフのときのドレイン電圧はおよそ700V(最大時)であり、直流入力電圧の約3.5倍となっている。これに対し、第2の共振回路LCsを設けた場合には、図6(a)に示すように、高周波変換部12の直流入力電圧が200Vであるのに対して、スイッチング素子Qがオフのときのドレイン電圧はおよそ450V(最大時)であり、直流入力電圧の約2.2倍に収まっている。以上のように、第2の共振回路LCsを設けたことで、スイッチング素子Qに発生する電圧を抑制することが確認できた。   In the case of the conventional inverter circuit (when the second resonance circuit LCs is not provided), as shown in FIG. 6B, the DC input voltage is 200 V, whereas the drain voltage when the switching element is OFF. Is about 700 V (at maximum), which is about 3.5 times the DC input voltage. On the other hand, when the second resonance circuit LCs is provided, as shown in FIG. 6A, the DC input voltage of the high-frequency converter 12 is 200 V, whereas the switching element Q is off. The drain voltage at that time is about 450 V (maximum), which is about 2.2 times the DC input voltage. As described above, it was confirmed that the voltage generated in the switching element Q was suppressed by providing the second resonance circuit LCs.

以上のことから、本発明の第1実施形態に係る高周波電源装置1によると、スイッチング素子Qのドレイン端子に、第2の共振回路LCsが接続されているため、高周波変換部12が出力する高周波の2次高調波電流が、この第2の共振回路LCsに流れる。これにより、スイッチング素子Qのドレイン−ソース間の2次高調波電流による発生電圧を抑制することができる。   From the above, according to the high frequency power supply device 1 according to the first embodiment of the present invention, since the second resonant circuit LCs is connected to the drain terminal of the switching element Q, the high frequency output from the high frequency converter 12 is high. The second harmonic current flows through the second resonance circuit LCs. Thereby, the voltage generated by the second harmonic current between the drain and source of the switching element Q can be suppressed.

また、送電コイルL2と受電コイルL3との間の距離が変化すると、高周波変換部12の出力端から負荷側を見たインピーダンスが変化する。このような状況においても、高周波電源装置1は、インピーダンス整合部14および電源制御部15により自動的にインピーダンスマッチングが行われるため、反射波電力を抑制できる。したがって、高周波電源装置1は、大きな反射波電力がスイッチング素子Qに入力されることを抑制するため、反射波電力による、スイッチング素子Qに発生する電圧も抑制できる。また、インピーダンスの不整合に起因するスイッチング素子Qの電力損失を抑制することもできる。   Further, when the distance between the power transmission coil L2 and the power reception coil L3 changes, the impedance when the load side is viewed from the output end of the high frequency converter 12 changes. Even in such a situation, the high frequency power supply device 1 can suppress the reflected wave power because impedance matching is automatically performed by the impedance matching unit 14 and the power supply control unit 15. Therefore, since the high frequency power supply device 1 suppresses large reflected wave power from being input to the switching element Q, the voltage generated in the switching element Q due to the reflected wave power can also be suppressed. In addition, the power loss of the switching element Q due to impedance mismatch can be suppressed.

また、本実施形態において、インピーダンス整合部14を高周波電源装置1の内部に備えているため、高周波電源装置1に接続する装置(負荷)に関わらず、効率良く高周波電力を供給し続けることが可能である。   In the present embodiment, since the impedance matching unit 14 is provided inside the high frequency power supply device 1, it is possible to continue to supply high frequency power efficiently regardless of the device (load) connected to the high frequency power supply device 1. It is.

次に、本発明の第2実施形態に係る非接触電力伝送システムBについて、説明する。第2実施形態に係る非接触電力伝送システムBの全体構成は、上記第1実施形態に係る非接触電力伝送システムA(図1参照)と略同様であり、高周波変換部12が高周波変換部16に置き換わっている点で相違する。なお、上記第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAと同一または類似の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。   Next, a non-contact power transmission system B according to the second embodiment of the present invention will be described. The overall configuration of the non-contact power transmission system B according to the second embodiment is substantially the same as the non-contact power transmission system A (see FIG. 1) according to the first embodiment, and the high-frequency conversion unit 12 is replaced with the high-frequency conversion unit 16. It is different in that it is replaced by. In addition, about the structure same or similar to the non-contact electric power transmission system A which concerns on the said 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

高周波変換部16は、直流電源部11から入力される直流電流を高周波電流に変換するものである。図7は、高周波変換部16の回路構成を示す図である。図示するように、高周波変換部16は、第1のコンデンサCfと、伝送線路K1と、スイッチング素子Qと、ダイオードDと、第2のコンデンサCsと、インダクタとコンデンサとを直列に接続した第1の共振回路LCfとを含んで構成される。したがって、高周波変換部16は、第1実施形態に係る高周波変換部12と回路構成が異なっており、インダクタLfおよび第2の共振回路LCsの代わりに伝送線路K1を用いている。   The high frequency converter 16 converts a direct current input from the direct current power supply unit 11 into a high frequency current. FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit configuration of the high-frequency conversion unit 16. As shown in the figure, the high frequency converter 16 includes a first capacitor Cf, a transmission line K1, a switching element Q, a diode D, a second capacitor Cs, an inductor and a capacitor connected in series. Resonance circuit LCf. Therefore, the high frequency converter 16 has a circuit configuration different from that of the high frequency converter 12 according to the first embodiment, and uses the transmission line K1 instead of the inductor Lf and the second resonance circuit LCs.

伝送線路K1は、高周波変換部16が生成する高周波から、当該高周波の基本波の偶数倍の周波数成分(偶数次の高調波)を減衰させるものである。伝送線路K1は、その一端が直流電源部11の高電位側の出力端子に接続され、その他端がスイッチング素子Qのドレイン端子および第1共振回路LCfの一端に接続されている。本実施形態においては、伝送線路K1を同軸ケーブルとしている。なお、伝送線路K1は、同軸ケーブルに限定されず、例えば、同軸管、基板上に形成された線路などであってもよい。   The transmission line K1 attenuates a frequency component (even harmonics) that is an even multiple of the fundamental wave of the high frequency from the high frequency generated by the high frequency converter 16. One end of the transmission line K1 is connected to the output terminal on the high potential side of the DC power supply unit 11, and the other end is connected to the drain terminal of the switching element Q and one end of the first resonance circuit LCf. In the present embodiment, the transmission line K1 is a coaxial cable. The transmission line K1 is not limited to a coaxial cable, and may be, for example, a coaxial pipe, a line formed on a substrate, or the like.

伝送線路K1の長さは、高周波変換部16が出力する高周波の基本波の、伝送線路K1における伝送波長の略4分の1としている。具体的には、高周波変換部16が出力する高周波の波長λは、周波数をfとして、伝送線路K1内の電波の速度をνとすると、λ[m]=ν[m/s]/f[Hz]で表わされる。同軸ケーブル(ポリエチレン製)上の電波の速度νは、真空中の電波の速度(3.0×108[m/s])の約66%程度であり、周波数fが13.56[MHz]なので、高周波変換部16が出力する高周波の波長λは、λ=(3.0×108)×(66/100)/(13.56×106)≒14.60[m]となる。伝送線路K1の長さは、この波長λの略1/4であるので、14.60×(1/4)≒3.65[m]となる。なお、上記同軸ケーブル上の電波の速度νを、真空中の電波の速度の約66%としたが、同軸ケーブル上の電波の速度は、用いる同軸ケーブルの波長短縮率(詳細には同軸ケーブルの絶縁材料)により異なる。したがって、伝送線路K1の長さは、用いる同軸ケーブルの種類に応じて、適宜変更すればよい。なお、上記算出式から分かるように、高周波変換部16が出力する高周波の周波数が低ければ低いほど、波長λは長くなる。したがって、周波数が低い場合、長い伝送線路K1を用いる必要があり、当該伝送線路K1を高周波電源装置1の筺体に収容するために、高周波電源装置1の大きさを大きくしなければならない。よって、高周波変換部16が出力する高周波の周波数は、6.78MHz以上であることが望ましい。 The length of the transmission line K1 is set to approximately one quarter of the transmission wavelength of the high-frequency fundamental wave output from the high-frequency converter 16 in the transmission line K1. Specifically, the high-frequency wavelength λ output from the high-frequency converter 16 is λ [m] = ν [m / s] / f [, where f is the frequency and ν is the velocity of the radio wave in the transmission line K1. Hz]. The velocity ν of radio waves on the coaxial cable (made of polyethylene) is about 66% of the velocity of radio waves in vacuum (3.0 × 10 8 [m / s]), and the frequency f is 13.56 [MHz]. Therefore, the wavelength λ of the high frequency output from the high frequency converter 16 is λ = (3.0 × 10 8 ) × (66/100) / (13.56 × 10 6 ) ≈14.60 [m]. Since the length of the transmission line K1 is approximately ¼ of the wavelength λ, 14.60 × (1/4) ≈3.65 [m]. The radio wave velocity ν on the coaxial cable is about 66% of the radio wave velocity in vacuum, but the radio wave velocity on the coaxial cable depends on the wavelength reduction rate of the coaxial cable used (specifically, the coaxial cable It depends on the insulating material. Therefore, the length of the transmission line K1 may be appropriately changed according to the type of the coaxial cable used. As can be seen from the above calculation formula, the lower the frequency of the high frequency output from the high frequency converter 16, the longer the wavelength λ. Therefore, when the frequency is low, it is necessary to use a long transmission line K1. In order to accommodate the transmission line K1 in the housing of the high-frequency power supply device 1, the size of the high-frequency power supply device 1 must be increased. Therefore, the high frequency output from the high frequency converter 16 is preferably 6.78 MHz or more.

上記のように、伝送線路K1の長さを、高周波変換部16が出力する高周波の、伝送線路K1における伝送波長の略4分の1の長さとしたことで、当該高周波の基本波(周波数が13.56MHz)および基本波の奇数倍の周波数成分(奇数次の高調波)で、インピーダンスが無限大になり、基本波の偶数倍の周波数成分(偶数次の高調波)で、インピーダンスがゼロになる。したがって、伝送線路K1には、高周波変換部16が出力する高周波の偶数次の高調波(2次の高調波、4次の高調波など)の電流が流れて、スイッチング素子Qに発生する高調波成分の電圧を減衰させる。   As described above, the length of the transmission line K1 is set to a length of approximately one quarter of the transmission wavelength in the transmission line K1 of the high frequency output from the high frequency converter 16, so that the high frequency fundamental wave (frequency is 13.56 MHz) and frequency components that are odd multiples of the fundamental wave (odd order harmonics), the impedance is infinite, and frequency components that are even multiples of the fundamental wave (even harmonics), the impedance is zero. Become. Therefore, the harmonics generated in the switching element Q due to the current of even harmonics (second harmonics, fourth harmonics, etc.) of the high frequency output from the high frequency converter 16 flowing in the transmission line K1. Attenuate the component voltage.

なお、高周波変換部16は、図8に示すように、上記図7に示す高周波変換部16の回路を2個正負対称に接続して、それぞれ一方の極性の信号のみを増幅するプッシュプル回路で構成してもよい。この場合も、各伝送線路K1により、スイッチング素子Qに発生する偶数次の高調波成分の電圧を減衰させることができるので、スイッチング素子Qに発生する電圧を抑制することができる。   As shown in FIG. 8, the high frequency converter 16 is a push-pull circuit that connects two circuits of the high frequency converter 16 shown in FIG. 7 symmetrically and amplifies only one polarity signal. It may be configured. Also in this case, the voltage of the even harmonic component generated in the switching element Q can be attenuated by each transmission line K1, so that the voltage generated in the switching element Q can be suppressed.

このように構成された非接触電力伝送システムBの作用について、図9を用いて説明する。   The operation of the non-contact power transmission system B configured as described above will be described with reference to FIG.

図9は、シミュレーションにおける、高周波変換部16のスイッチング素子Qのドレイン電圧の波形(同図(a)参照)と従来のインバータ回路(E級アンプ)のスイッチング素子のドレイン電圧の波形(同図(b)参照)とを示している。シミュレーションでは、高周波変換部16に入力する直流電圧を200V、高周波駆動信号S2の周波数(スイッチング周波数)を13.56MHzとして、高周波電源装置1に50Ωの負荷を接続している。なお、図9(b)は、図6(b)に示す波形と同じものを転記しているため、その説明を省略する。また、図9(a)においても、直流電源部11からの入力電圧を破線で記載している。   9 shows the waveform of the drain voltage of the switching element Q of the high-frequency converter 16 (see FIG. 9A) and the waveform of the drain voltage of the switching element of the conventional inverter circuit (class E amplifier) in the simulation (see FIG. 9). b)). In the simulation, the DC voltage input to the high frequency converter 16 is 200 V, the frequency (switching frequency) of the high frequency drive signal S2 is 13.56 MHz, and a 50Ω load is connected to the high frequency power supply device 1. Note that FIG. 9B shows the same waveform as that shown in FIG. Also in FIG. 9A, the input voltage from the DC power supply unit 11 is indicated by a broken line.

上記伝送線路K1を設けた場合には、図9(a)に示すように、高周波変換部16の直流入力電圧が200Vであるのに対して、スイッチング素子Qがオフのときのドレイン電圧はおよび400V(最大時)であり、直流入力電圧の約2.0倍に収まっている。以上のように、伝送線路K1を設けたことで、スイッチング素子Qに発生する電圧を抑制することが確認できた。   When the transmission line K1 is provided, as shown in FIG. 9A, the DC input voltage of the high-frequency converter 16 is 200 V, whereas the drain voltage when the switching element Q is OFF is The voltage is 400 V (maximum), which is about 2.0 times the DC input voltage. As described above, it was confirmed that the voltage generated in the switching element Q was suppressed by providing the transmission line K1.

以上のことから、本発明の第2実施形態に係る高周波電源装置1によると、伝送線路K1は、高周波変換部16が出力する高周波の偶数次の高調波電流を短絡させている。これにより、スイッチング素子Qに発生する電圧に含まれる成分のうち、偶数次の高調波の分が削減されるので、電圧を抑制することができる。さらに、伝送線路K1を設けた場合、上記第1実施形態の高周波変換部12の第2の共振回路LCsを設けた場合に比べ、2次の高調波だけでなく、4次,6次などの偶数次の高調波も減衰させることができるため、ドレイン電圧を第1実施形態よりさらに抑制することができる(図6(a),図9(a)参照)。   From the above, according to the high frequency power supply device 1 according to the second embodiment of the present invention, the transmission line K1 short-circuits the even-numbered higher harmonic current of the high frequency output from the high frequency converter 16. As a result, among the components included in the voltage generated in the switching element Q, the even harmonic components are reduced, so that the voltage can be suppressed. Further, when the transmission line K1 is provided, compared to the case where the second resonance circuit LCs of the high-frequency conversion unit 12 of the first embodiment is provided, not only the second harmonic but also the fourth order, the sixth order, and the like. Since even-order harmonics can also be attenuated, the drain voltage can be further suppressed than in the first embodiment (see FIGS. 6A and 9A).

また、第2実施形態に係る高周波電源装置1においても、上記第1実施形態と同様に、インピーダンス整合器14および電源制御部15が自動的にインピーダンスマッチングを行うため、反射波電力による、スイッチング素子Qに発生する電圧、および、スイッチング素子Qで発生する電力損失を抑制することができる。さらに、インピーダンス整合器14を高周波電源装置1の内部に備えたことで、高周波電源装置1に接続する装置(負荷)に関わらず、効率良く高周波電力を供給し続けることが可能である。   Also in the high frequency power supply device 1 according to the second embodiment, the impedance matching unit 14 and the power supply control unit 15 automatically perform impedance matching in the same manner as in the first embodiment. The voltage generated in Q and the power loss generated in the switching element Q can be suppressed. Furthermore, by providing the impedance matching device 14 inside the high frequency power supply device 1, it is possible to continue to supply high frequency power efficiently regardless of the device (load) connected to the high frequency power supply device 1.

次に、本発明の第3実施形態に係る非接触電力伝送システムCについて、説明する。第3実施形態に係る非接触電力伝送システムCの全体構成は、上記第1実施形態に係る非接触電力伝送システムA(図1参照)と略同様であり、高周波変換部12が高周波変換部17に置き換わっている点で相違する。なお、上記第1実施形態および第2実施形態と同一または類似の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。   Next, a non-contact power transmission system C according to the third embodiment of the present invention will be described. The overall configuration of the non-contact power transmission system C according to the third embodiment is substantially the same as the non-contact power transmission system A (see FIG. 1) according to the first embodiment, and the high-frequency conversion unit 12 is replaced with the high-frequency conversion unit 17. It is different in that it is replaced by. In addition, about the structure same or similar to the said 1st Embodiment and 2nd Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図10は、高周波変換部17の回路構成を示すである。図示するように、高周波変換部17は、第1のコンデンサCfと、インダクタLfと、スイッチング素子Qと、ダイオードDと、第2のコンデンサCsと、伝送線路部K2と、第1の共振回路LCfとを含んで構成される。したがって、高周波変換部17は、第1実施形態に係る高周波変換部12と回路構成が異なっており、第2の共振回路LCsの代わりに伝送線路部K2を用いている。   FIG. 10 shows a circuit configuration of the high-frequency conversion unit 17. As shown in the drawing, the high-frequency conversion unit 17 includes a first capacitor Cf, an inductor Lf, a switching element Q, a diode D, a second capacitor Cs, a transmission line unit K2, and a first resonance circuit LCf. It is comprised including. Therefore, the high frequency conversion unit 17 has a circuit configuration different from that of the high frequency conversion unit 12 according to the first embodiment, and uses a transmission line unit K2 instead of the second resonance circuit LCs.

伝送線路部K2は、高周波変換部17が生成する高周波から、所定次数の高調波を減衰させるものである。伝送線路部K2は、伝送線路K21および伝送線路K22を備えている。伝送線路K21は、一端がインダクタLfの出力側の端子と第1の共振回路LCfの入力側の端子との間に接続され、他端が開放された伝送線路である。伝送線路K22は、一端がインダクタLfの出力側の端子と第1の共振回路LCf1の入力側の端子との間に接続され、他端が短絡された伝送線路である。本実施形態においては、伝送線路K21,K22を、同軸ケーブルとしている。なお、伝送線路K21,K22は、同軸ケーブルに限定されず、例えば、同軸管、基板上に形成された線路などであってもよい。   The transmission line part K2 attenuates the harmonics of a predetermined order from the high frequency generated by the high frequency converter 17. The transmission line unit K2 includes a transmission line K21 and a transmission line K22. The transmission line K21 is a transmission line in which one end is connected between the output-side terminal of the inductor Lf and the input-side terminal of the first resonance circuit LCf, and the other end is opened. The transmission line K22 is a transmission line having one end connected between the output-side terminal of the inductor Lf and the input-side terminal of the first resonance circuit LCf1, and the other end short-circuited. In the present embodiment, the transmission lines K21 and K22 are coaxial cables. The transmission lines K21 and K22 are not limited to coaxial cables, and may be, for example, coaxial pipes, lines formed on a substrate, or the like.

伝送線路K21,K22の長さは、高周波変換部17が出力する高周波の、各伝送線路K21,K22における伝送波長の略8分の1の長さとしている。具体的には、第2実施形態に係る伝送線路K1と同一の同軸ケーブル(ポリエチレン製)を用いた場合、同様に計算すると、高周波変換部17が出力する高周波の波長λは、λ=(3.0×108)×(66/100)/(13.56×106)≒14.60[m]となるので、伝送線路K21,K22の長さはともに、この波長λの略1/8の、14.60×(1/8)≒1.8[m]となる。なお、上記第2実施形態と同様に、高周波変換部17が出力する高周波の周波数が低ければ低いほど、伝送線路K21,K22の長さが長くなる。よって、当該伝送線路K21,K22を高周波電源装置1の筺体に収容するために、高周波変換部17が出力する高周波の周波数は、6.78MHz以上であることが望ましい。 The lengths of the transmission lines K21 and K22 are approximately one-eighth the length of the transmission wavelength in the transmission lines K21 and K22 of the high frequency output from the high frequency converter 17. Specifically, when the same coaxial cable (made of polyethylene) as the transmission line K1 according to the second embodiment is used, the high-frequency wavelength λ output from the high-frequency conversion unit 17 is λ = (3 0.0 × 10 8 ) × (66/100) / (13.56 × 10 6 ) ≈14.60 [m], the lengths of the transmission lines K21 and K22 are approximately 1 / wavelength λ. 8, 14.60 × (1/8) ≈1.8 [m]. As in the second embodiment, the lower the frequency of the high frequency output from the high frequency converter 17, the longer the transmission lines K21 and K22. Therefore, in order to accommodate the transmission lines K21 and K22 in the housing of the high-frequency power supply device 1, the high-frequency frequency output from the high-frequency conversion unit 17 is desirably 6.78 MHz or more.

図11は、伝送線路部K2を、スイッチング素子Qのドレイン端子側から見たインピーダンスの大きさの周波数特性を示す図である。横軸が周波数を示しており、縦軸がインピーダンスの大きさを示している。同図に示すように、周波数f(=13.56MHz)および周波数fの奇数倍の周波数で、インピーダンスが無限大になり、周波数fの偶数倍の周波数で、インピーダンスがゼロになっている。したがって、伝送線路部K2には、高周波変換部17が出力する高周波の基本波および奇数次の高調波(3次高調波、5次高調波など)の電流は流れず、偶数次の高調波(2次高調波、4次高調波など)の電流が流れて、スイッチング素子Qに発生する偶数次の高調波成分の電圧を減衰させる。   FIG. 11 is a diagram illustrating a frequency characteristic of the magnitude of impedance when the transmission line portion K2 is viewed from the drain terminal side of the switching element Q. The horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the magnitude of the impedance. As shown in the figure, the impedance is infinite at a frequency f (= 13.56 MHz) and an odd multiple of the frequency f, and the impedance is zero at an even multiple of the frequency f. Therefore, the high-frequency fundamental wave and odd-order harmonics (third harmonic, fifth harmonic, etc.) output from the high-frequency converter 17 do not flow through the transmission line unit K2, and even harmonics ( (Second harmonic, fourth harmonic, etc.) current flows, and the voltage of even harmonic components generated in the switching element Q is attenuated.

このように構成された高周波変換部17は、伝送線路部K2を設けたことで、上記する第2実施形態に係る高周波変換部16と同様に、スイッチング素子Qに発生する偶数次の高調波(2次高調波、4次高調波など)成分の電圧を減衰させる。すわなち、伝送線路部K2を設けた場合でも、上記第2実施形態に係る高周波電源装置1と同様の効果を奏することができる。したがって、スイッチング素子Qのドレイン電圧は、図9(a)に示す波形と同等の波形となり、スイッチング素子Qに発生する電圧を抑制することができる。   The high-frequency conversion unit 17 configured as described above is provided with the transmission line unit K2, so that the even-order harmonics generated in the switching element Q (like the high-frequency conversion unit 16 according to the second embodiment described above) ( Second harmonic, fourth harmonic, etc.) component voltage is attenuated. That is, even when the transmission line portion K2 is provided, the same effects as those of the high-frequency power supply device 1 according to the second embodiment can be obtained. Therefore, the drain voltage of the switching element Q becomes a waveform equivalent to the waveform shown in FIG. 9A, and the voltage generated in the switching element Q can be suppressed.

なお、高周波変換部17は、図12に示すように、上記図10に示す高周波変換部17の回路を2個正負対称に接続して、それぞれ一方の極性の信号のみを増幅するプッシュプル回路で構成してもよい。この場合も、各伝送線路部K2により、スイッチング素子Qに発生する偶数次の高調波成分の電圧を減衰させることができるので、スイッチング素子Qに発生する電圧を抑制することができる。   As shown in FIG. 12, the high-frequency converter 17 is a push-pull circuit that amplifies only a signal of one polarity by connecting two circuits of the high-frequency converter 17 shown in FIG. 10 symmetrically. It may be configured. Also in this case, the voltage of the even harmonic component generated in the switching element Q can be attenuated by each transmission line portion K2, so that the voltage generated in the switching element Q can be suppressed.

上記第1実施形態ないし第3実施形態において、直流電源部11にDC−DCコンバータを備え、直流電源部11から出力される直流電圧のレベルを変化させることで、高周波電源装置1から出力される高周波電力を、目標出力電力に制御する態様(パルス振幅変調(PAM)制御)を説明したが、これに限定されない。例えば、高周波電力を出力する期間と出力しない期間との比率を変化させることで、高周波電源装置1から出力される高周波電力を目標出力電力に制御するパルス密度変調(PDM)制御を行うようにしてもよい。具体的には、電源制御部15は、高周波電源装置1から出力される高周波電力の所定期間内の平均値が目標出力電力となるように、高周波変換部12(16,17)に対して、パルス信号を出力する期間と出力しない期間とを有する高周波駆動信号S2’を出力することで、実現される。   In the first to third embodiments, the DC power supply unit 11 includes a DC-DC converter, and the level of the DC voltage output from the DC power supply unit 11 is changed, so that the DC power supply unit 11 outputs the DC voltage. Although the aspect (pulse amplitude modulation (PAM) control) which controls high frequency electric power to target output electric power was demonstrated, it is not limited to this. For example, pulse density modulation (PDM) control for controlling the high frequency power output from the high frequency power supply device 1 to the target output power is performed by changing the ratio between the period during which the high frequency power is output and the period during which the high frequency power is not output. Also good. Specifically, the power supply control unit 15 controls the high frequency conversion unit 12 (16, 17) so that the average value of the high frequency power output from the high frequency power supply device 1 within a predetermined period becomes the target output power. This is realized by outputting a high-frequency drive signal S2 ′ having a period for outputting a pulse signal and a period for not outputting a pulse signal.

この高周波駆動信号S2’の生成について、図13を用いて説明する。電源制御部15は、電力検出部13から入力される進行波電力Pfと目標出力電力Pfsとの電力差ΔPf(=Pfs−Pf)を算出する。なお、このときの進行波電力Pfは、所定期間(例えば、後述するキャリア信号Scの1周期)の平均値とする。そして、この電力差ΔPfに所定のフィードバックゲインを乗じ、このフィードバックゲインを乗じた電力差ΔPf’と所定の周波数(例えば、400Hz)のキャリア信号Sc(鋸波あるいは三角波)と比較する。その結果、電力差ΔPf’がキャリア信号Scより大きいとき(期間T1)に、13.56MHzのパルス信号を発生させ、電力差ΔPf’がキャリア信号Sc以下のとき(期間T2)には、13.56MHzのパルス信号を発生させない。これにより、パルス信号を出力する期間とパルス信号を出力しない期間とを有する高周波駆動信号S2’を生成することができる。   The generation of the high frequency drive signal S2 'will be described with reference to FIG. The power supply control unit 15 calculates a power difference ΔPf (= Pfs−Pf) between the traveling wave power Pf input from the power detection unit 13 and the target output power Pfs. The traveling wave power Pf at this time is an average value for a predetermined period (for example, one cycle of a carrier signal Sc described later). The power difference ΔPf is multiplied by a predetermined feedback gain, and the power difference ΔPf ′ multiplied by the feedback gain is compared with a carrier signal Sc (sawtooth wave or triangular wave) having a predetermined frequency (for example, 400 Hz). As a result, when the power difference ΔPf ′ is greater than the carrier signal Sc (period T1), a 13.56 MHz pulse signal is generated, and when the power difference ΔPf ′ is less than or equal to the carrier signal Sc (period T2), 13. A 56 MHz pulse signal is not generated. Thereby, the high frequency drive signal S2 'having a period during which the pulse signal is output and a period during which the pulse signal is not output can be generated.

ここで、目標出力電力Pfsを大きくすると、電力差ΔPf’は大きくなるため、電力差ΔPf’は、図13(a)において、上方向に移動する。そのため、電力差ΔPf’がキャリア信号Scより大きい期間T1が長くなり、高周波駆動信号S2’における、パルス信号を出力する期間が長くなる。一方、目標出力電力Pfsを小さくすると、電力差ΔPf’は小さくなるため、電力差ΔPf’は、図13(a)において、下方向に移動する。そのため、電力差ΔPf’がキャリア信号Scより大きい期間T1が短くなり、高周波駆動信号S2’における、パルス信号を出力する期間が短くなる。以上のことから、進行波電力Pfと目標出力電力Pfsとの電力差ΔPfにより、高周波駆動信号S2’における、パルス信号を出力する期間と出力しない期間との比率が変化する。   Here, when the target output power Pfs is increased, the power difference ΔPf ′ increases, so that the power difference ΔPf ′ moves upward in FIG. Therefore, the period T1 in which the power difference ΔPf ′ is larger than the carrier signal Sc becomes longer, and the period in which the pulse signal is output in the high-frequency drive signal S2 ′ becomes longer. On the other hand, when the target output power Pfs is decreased, the power difference ΔPf ′ is decreased, so that the power difference ΔPf ′ moves downward in FIG. Therefore, the period T1 in which the power difference ΔPf ′ is larger than the carrier signal Sc is shortened, and the period for outputting the pulse signal in the high-frequency drive signal S2 ′ is shortened. From the above, the ratio between the period during which the pulse signal is output and the period during which the pulse signal is not output changes in the high-frequency drive signal S2 'due to the power difference ΔPf between the traveling wave power Pf and the target output power Pfs.

そして、電源制御部15が、生成した高周波駆動信号S2’を高周波変換部12(16,17)に入力することで、高周波変換部12(16,17)から高周波電力が出力される期間と出力されない期間が生じる。このとき、高周波電力が出力される期間が長いと、高周波電力の平均値が大きくなり、反対に高周波電力が出力される期間が短いと、高周波電力の平均値は小さくなる。したがって、電源制御部15は、PDM制御により、所定期間内(例えば、キャリア信号の1周期)での高周波変換部12(16,17)の出力電力の平均値を、目標出力電力Pfsに制御することができる。したがって、高周波電源装置1にDC−DCコンバータ等の電力制御機器を設ける必要がなく、高周波電源装置1の構成の簡素化を図ることができる。   Then, the power supply control unit 15 inputs the generated high-frequency drive signal S2 ′ to the high-frequency conversion unit 12 (16, 17) so that the high-frequency power is output from the high-frequency conversion unit 12 (16, 17) and the output. There will be a period that is not done. At this time, if the period during which the high-frequency power is output is long, the average value of the high-frequency power becomes large. Therefore, the power supply control unit 15 controls the average value of the output power of the high-frequency conversion unit 12 (16, 17) within a predetermined period (for example, one cycle of the carrier signal) to the target output power Pfs by PDM control. be able to. Therefore, it is not necessary to provide a power control device such as a DC-DC converter in the high frequency power supply device 1, and the configuration of the high frequency power supply device 1 can be simplified.

上記第1実施形態ないし第3実施形態において、本発明に係る高周波電源装置を非接触電力伝送システム(充電システム)に適用した態様を例に説明したが、これに限られない。本発明に係る高周波電源装置は、高周波電力を用いるあらゆるシステムに適用することができる。例えば、プラズマ処理システムの電源として用いたり、誘導加熱装置の電源として用いたりしてもよい。また、その他(充電システム以外)の用途の非接触電力伝送システムに適用してもよい。   In the said 1st Embodiment thru | or 3rd Embodiment, although the aspect which applied the high frequency power supply device which concerns on this invention to the non-contact electric power transmission system (charging system) was demonstrated to an example, it is not restricted to this. The high frequency power supply device according to the present invention can be applied to any system using high frequency power. For example, it may be used as a power source for a plasma processing system or a power source for an induction heating apparatus. Moreover, you may apply to the non-contact electric power transmission system of other uses (other than a charging system).

以上、本発明に係る高周波電源装置および非接触電力伝送システムについて説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲を逸脱しなければ、各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。   As described above, the high-frequency power supply device and the non-contact power transmission system according to the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the specific configuration of each part is within the scope of the claims of the present invention. The design can be changed in various ways.

A,B,C 非接触電力伝送システム
1 高周波電源装置
11 直流電源部
12,16,17 高周波変換部
Cf 第1のコンデンサ
Lf インダクタ
Q スイッチング素子
Cs 第2のコンデンサ
LCf 第1の共振回路
LCs 第2の共振回路
K1 伝送線路
K2 伝送線路部
K21,K22 伝送線路
13 電力検出部
14,14’ インピーダンス整合部
141 検出器
142,143 可変コンデンサ
144 インダクタ
145,146 モータ
15 電源制御部
2 送電ユニット
L2 送電コイル
C2 コンデンサ
3 受電ユニット
L3 受電コイル
C3 コンデンサ
4 充電装置
5 バッテリ
A, B, C Non-contact power transmission system 1 High frequency power supply device 11 DC power supply unit 12, 16, 17 High frequency conversion unit Cf First capacitor Lf Inductor Q Switching element Cs Second capacitor LCf First resonance circuit LCs Second Resonant circuit K1 Transmission line K2 Transmission line part K21, K22 Transmission line 13 Power detection part 14, 14 'Impedance matching part 141 Detector 142, 143 Variable capacitor 144 Inductor 145, 146 Motor 15 Power supply control part 2 Power transmission unit L2 Power transmission coil C2 capacitor 3 power receiving unit L3 power receiving coil C3 capacitor 4 charging device 5 battery

Claims (6)

直流電流を高周波電流に変換して出力する高周波電源装置であって、
前記直流電流を発生させる直流電源と、
高周波駆動信号に従い導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチング素子、および、少なくとも、前記高周波駆動信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになる回路部品を含んで構成され、前記直流電流を前記高周波電流に変換する高周波変換手段と、
前記高周波変換手段の出力端に配置され、前記出力端から負荷側を見たインピーダンスを、前記出力端から前記直流電源側を見たインピーダンスに自動調整するインピーダンス整合手段と、
を備えており、
前記回路部品は、前記直流電源の高電位側の出力端子に直列に接続された伝送線路であり、
前記スイッチング素子は、前記伝送線路の出力側で前記伝送線路に直列に接続されており、
前記高周波変換手段は、前記伝送線路の出力側で前記伝送線路に直列に接続された第1の共振回路をさらに含んでおり、
前記伝送線路の長さは、前記高周波変換手段から出力される高周波の、前記伝送線路における伝送波長の略4分の1であり、
前記伝送線路は、同軸ケーブルである、
高周波電源装置。
A high-frequency power supply device that converts a direct current into a high-frequency current and outputs it,
A direct current power source for generating the direct current;
A switching element that switches between a conducting state and a non-conducting state in accordance with a high-frequency drive signal, and a circuit component that has at least a zero impedance at a frequency that is twice the frequency of the high-frequency drive signal. High-frequency conversion means for converting to high-frequency current;
Impedance matching means arranged at the output end of the high-frequency conversion means, and automatically adjusting the impedance when the load side is viewed from the output end to the impedance when the DC power supply side is viewed from the output end;
Equipped with a,
The circuit component is a transmission line connected in series to the output terminal on the high potential side of the DC power supply,
The switching element is connected in series to the transmission line on the output side of the transmission line,
The high-frequency conversion means further includes a first resonance circuit connected in series to the transmission line on the output side of the transmission line,
The length of the transmission line is approximately a quarter of the transmission wavelength of the high frequency output from the high frequency conversion means in the transmission line,
The transmission line is a coaxial cable.
High frequency power supply.
直流電流を高周波電流に変換して出力する高周波電源装置であって、
前記直流電流を発生させる直流電源と、
高周波駆動信号に従い導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチング素子、および、少なくとも、前記高周波駆動信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになる回路部品を含んで構成され、前記直流電流を前記高周波電流に変換する高周波変換手段と、
前記高周波変換手段の出力端に配置され、前記出力端から負荷側を見たインピーダンスを、前記出力端から前記直流電源側を見たインピーダンスに自動調整するインピーダンス整合手段と、
を備えており、
前記高周波変換手段は、
前記直流電源の高電位側の出力端子に直列に接続されたインダクタと、
前記インダクタの出力側で前記インダクタに直列に接続された第1の共振回路と、をさらに含んでおり、
前記スイッチング素子は、前記インダクタの出力側で前記インダクタに直列に接続されており、
前記回路部品は、一方の端子が前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に接続され、他方の端子が開放された第1の伝送線路と、一方の端子が前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に接続され、他方の端子が短絡された第2の伝送線路と、を有して、構成され、
前記第1の伝送線路の長さおよび前記第2の伝送線路の長さはそれぞれ、前記高周波変換手段から出力される高周波の、各前記伝送線路における伝送波長の略8分の1の長さである
周波電源装置。
A high-frequency power supply device that converts a direct current into a high-frequency current and outputs it,
A direct current power source for generating the direct current;
A switching element that switches between a conducting state and a non-conducting state in accordance with a high-frequency drive signal, and a circuit component that has at least a zero impedance at a frequency that is twice the frequency of the high-frequency drive signal. High-frequency conversion means for converting to high-frequency current;
Impedance matching means arranged at the output end of the high-frequency conversion means, and automatically adjusting the impedance when the load side is viewed from the output end to the impedance when the DC power supply side is viewed from the output end;
With
The high-frequency conversion means includes
An inductor connected in series to the output terminal on the high potential side of the DC power supply;
A first resonant circuit connected in series with the inductor on the output side of the inductor,
The switching element is connected in series to the inductor on the output side of the inductor,
In the circuit component, one terminal is connected to a connection point between the inductor and the switching element, the other terminal is open, and one terminal is a connection between the inductor and the switching element. A second transmission line connected to the point and having the other terminal short-circuited.
The length of the first transmission line and the length of the second transmission line are each approximately one-eighth of the transmission wavelength of each high-frequency wave output from the high-frequency conversion means. Yes ,
High-frequency power supply.
前記伝送線路は、同軸ケーブルである、
請求項2に記載の高周波電源装置。
The transmission line is a coaxial cable.
The high frequency power supply device according to claim 2 .
直流電流を高周波電流に変換して出力する高周波電源装置であって、
前記直流電流を発生させる直流電源と、
高周波駆動信号に従い導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチング素子、および、少なくとも、前記高周波駆動信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロになる回路部品を含んで構成され、前記直流電流を前記高周波電流に変換する高周波変換手段と、
前記高周波変換手段の出力端に配置され、前記出力端から負荷側を見たインピーダンスを、前記出力端から前記直流電源側を見たインピーダンスに自動調整するインピーダンス整合手段と、
を備えており、
前記負荷側を見たインピーダンスあるいは前記高周波変換手段の出力端における反射波電力を検出する検出手段をさらに備え、
前記インピーダンス整合手段は、2個の可変コンデンサと1個のインダクタとを有し、前記検出手段の検出値に基づき、前記可変コンデンサ毎に取り付けられたモータを駆動させることで、前記2個の可変コンデンサのキャパシタンスをそれぞれ変化させ、前記負荷側を見たインピーダンスを、前記直流電源側を見たインピーダンスに自動調整する、
周波電源装置。
A high-frequency power supply device that converts a direct current into a high-frequency current and outputs it,
A direct current power source for generating the direct current;
A switching element that switches between a conducting state and a non-conducting state in accordance with a high-frequency drive signal, and a circuit component that has at least a zero impedance at a frequency that is twice the frequency of the high-frequency drive signal. High-frequency conversion means for converting to high-frequency current;
Impedance matching means arranged at the output end of the high-frequency conversion means, and automatically adjusting the impedance when the load side is viewed from the output end to the impedance when the DC power supply side is viewed from the output end;
With
Further comprising a detecting means for detecting an impedance viewed from the load side or a reflected wave power at an output end of the high-frequency converting means,
The impedance matching means has two variable capacitors and one inductor, and drives the motors attached to the variable capacitors on the basis of the detection value of the detection means. each varying the capacitance of the capacitor, the impedance viewed the load side, you automatically adjusted to the impedance viewed the DC power supply side,
High-frequency power supply.
前記高周波駆動信号を発生させ、前記スイッチング素子に入力する制御手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記高周波変換手段から出力される電力の所定期間内の平均値が目標出力電力となるように、前記高周波変換手段から高周波電力を出力する期間と出力しない期間との比率を変化させる、
請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の高周波電源装置。
Control means for generating the high-frequency drive signal and inputting it to the switching element,
The control means changes a ratio between a period during which high-frequency power is output from the high-frequency conversion means and a period during which the high-frequency power is not output so that an average value of power output from the high-frequency conversion means within a predetermined period becomes a target output power. Let
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 4 .
請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の高周波電源装置と、
互いに磁気結合された送電コイルと受電コイルとを有し、前記高周波電源装置から出力される高周波電力を前記送電コイルから前記受電コイルに非接触で伝送する電力伝送ユニットと、
を備える非接触電力伝送システム。
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 5 ,
A power transmission unit having a power transmission coil and a power reception coil magnetically coupled to each other, and transmitting high-frequency power output from the high-frequency power supply device from the power transmission coil to the power reception coil in a contactless manner;
A non-contact power transmission system comprising:
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