JP6716112B2 - 超音波非接触給電システム - Google Patents

Description

本発明は、強力超音波を利用して、非接触にて電力を伝送できる給電システムに関するものである。

海底資源探索を始めとする海洋開発や環境調査には、自律航行潜水機（Autonomous Underwater Vehicle；ＡＵＶ）が利用されるが、その動力源となる蓄電池（バッテリ）への給電には高効率かつ利便性の高い電力供給システムが不可欠である。従来は、ＡＵＶへの給電として、海底に設置された直流電源（主電源）から、ＡＵＶが搭載するバッテリに対して、電線（ワイヤ・ケーブル）を使用して給電する手法が主流であるが、ＡＵＶの自由航行を阻害すると同時に接続プラグの脱着やケーブル腐食への対策などメンテナンスが必要であり、さらに送受電間の電力変換効率に課題がある。

従来から、空気中や水中などを伝送媒体として、超音波を用いて、非接触にて電力を伝送できる給電方法が知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
特許文献１における給電方法では、超音波ワイヤレス電力送信装置は、制御部、記憶部、信号処理部、超音波発生部、電力増幅部、超音波送信ユニットで構成されている（図７）。制御部は、超音波送信装置と超音波受信装置との間の距離、および超音波振動子の大きさを考慮して、最大効率を有する固有周波数を計算する。信号処理部は超音波信号を変調するための信号を生成する。超音波発生部は超音波送信ユニットへ送信するための超音波信号を生成し、信号処理部で生成された信号と加算され、その後、電力増幅部へ転送される。電力増幅部は、所定の大きさを有する超音波信号を受信し、信号を増幅し、超音波送信ユニットに転送する。超音波送信ユニットは、電力増幅部から転送された超音波出力信号を外部に発信する。

また、特許文献２における給電方法では、超音波ワイヤレス電力送信装置は、信号発生部、増幅部、制御部、超音波送信トランスデューサで構成されている（図８）。信号発生部は、さらに、超音波の波形を生成することができる種々の関数発生器、ピッチ発生器、任意波形発生器、デジタルパターン発生器が用いられる。信号発生部によって生成される波形は、増幅部によって増幅される。制御部は、特定の周波数と振幅を有する超音波を放出するように超音波送信トランスデューサの発信を起こさせる。制御部は、超音波送信トランスデューサに対して、受信側の位置に基づいて、周波数や振幅を変化させる。

また、非特許文献１の図８には、パルス発生器と増幅器と超音波トランスデューサで構成される超音波ワイヤレス電力送信装置の空気中における伝送電力特性について開示されている。非特許文献１では、超音波によるワイヤレスの電力伝送では、伝送される電力は送信側トランスデューサの印加電圧や、超音波送信装置と超音波受信装置の間の距離（伝送距離）によって定まることが示されている。

米国特許公開公報２０１３／０２７１０８８ 米国特許公開公報２０１５／０２１４７６５

石山俊彦、"超音波ワイヤレス給電技術の伝送電力特性"、釧路工業高等専門学校紀要４１号、４７−５１頁

上述の如く、超音波非接触給電システムでは、超音波送信装置と超音波受信装置との間の距離、超音波振動子の特性に応じて、最大効率を有する固有周波数が存在し、伝送される電力は送信側の超音波振動子の印加電圧や、超音波送信装置と超音波受信装置の間の距離（伝送距離）に基づいている。
かかる状況に鑑みて、本発明は、パワー半導体スイッチを駆使した高周波インバータを用いて、周波数制御と振幅制御を可能とし、より高効率で高性能な超音波非接触給電システムを提供することを目的とする。特に、水中で利用可能な超音波を使った非接触受電システムは、周囲環境が大きく変化するため、その制御が難しく、安定したシステムの提供が求められている。

上記課題を解決すべく、本発明の超音波非接触給電システムは、下記１）の送電部と２）の受電部から構成される。
１）送電部
直流電源と、直流電源より供給される電圧を交流電圧に変換する高周波インバータと、高周波インバータの出力に接続された送電側共振回路と、送電側共振回路に接続された圧電体を用いた送電側超音波振動子と、送電側超音波振動子に固有の機械的な共振振動数に高周波インバータの共振周波数を追従させる共振周波数追従制御手段から構成される。
２）受電部
送電側超音波振動子から発信される超音波を受信する圧電体を用いた受電側超音波振動子と、受電側超音波振動子に接続された受電側共振回路と、受電側共振回路の電圧を整流する高周波整流回路と、高周波整流回路の出力に接続された電圧平滑用コンデンサと、電圧平滑用コンデンサに並列に接続されたバッテリから構成される。

上記構成の送電部と受電部によれば、強力超音波を利用し、非接触にて電力を伝送できる給電システムを構築できる。電気・機械・音響系エネルギー相互変換原理に着眼し、圧電体を用いた超音波振動子による強力超音波エネルギーを利用して、超音波ワイヤレス給電を行う。電磁誘導方式や磁界共鳴方式など空中媒体に限定される非接触給電システムと異なり、水中においても高効率な非接触電力伝送が可能である。
圧電体を用いた超音波振動子により、送電部では、電気・機械振動エネルギー変換が行われる。一方、受電部では、伝送媒体として水（海水など）を介して送電側からの機械振動を受け、圧電効果によって高周波電圧が生成される。受電部では、生成した高周波電圧は、高周波整流回路を通して直流へと変換される。超音波振動子に用いる圧電体は、電歪振動子が用いられる。電歪振動子は、電界の変化による変形を利用した振動子であり、圧電素子としては、例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等がある。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、高周波インバータおよび高周波整流回路は、共に、フルブリッジ回路で構成されることが好ましい。そして、送電側超音波振動子に固有の機械的な共振振動数に高周波インバータの共振周波数を追従させることが好ましい。
圧電体を用いた超音波振動子による非接触給電では、送受電間のエネルギー減衰の激しいシステムであり、超音波振動子の共振点付近でのインバータ動作は不可欠である。そこで、超音波振動子に固有の機械的な共振周波数と、高周波インバータの共振周波数を追従させるのである。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、共振周波数追従制御手段は、位相差検出回路および電圧制御発信回路を備え、送電側超音波振動子の端子電圧および端子電流を検出し、電圧と電流が同相となるように高周波インバータの動作周波数を制御することが好ましい。具体的には、キャパシタを用いて電流検出値を電圧変換した電圧値と、端子電圧の電圧値とを位相差により比較し、電圧変換した電圧値が常に９０°の位相差になるように、高周波インバータの動作周波数を制御することが好ましい。
これにより、超音波振動子の機械的な共振周波数と、電力変換回路である高周波インバータの共振周波数とを一致させる共振周波数追従制御が実現できる。この制御によって、電気・音響変換効率を最大に高めることができる。

周波数追従制御は、超音波振動子の振動速度を端子電圧と等しくし、超音波振動子の発生出力を最大限に取り出すために用いる。周波数追従制御は、高周波インバータの電力制御の観点からすれば、その負荷力率を１に調整することに等しい。すなわち、超音波振動子の端子電圧と電流を同相にすることになる。なお、厳密にいえば、超音波振動子の内部にあるＬＣ直列共振タンクのインピーダンスが共振周波数において相殺されて、高周波インバータからみた上記共振タンクと超音波振動子の合成インピーダンスがあたかも純抵抗として現れる場合にのみ、インバータ共振周波数運転と負荷力率１動作が同等となる。

また、高周波インバータの出力電流、すなわち超音波振動子の入力電流が、きわめて精度良く検出することができれば、インバータ制御の中で電圧と電流の同相制御を行なうことも可能である。しかしながら、現実的には電流検出値はパワー半導体スイッチからの放射磁界などの影響を受けやすく、スイッチングノイズが重畳した信号となりやすい。これを回避すべく、キャパシタを用いて電流検出値を電圧変換した電圧値とする。すなわち、電流検出における電流検出用トランス（ＣＴ）の２次側電流をキャパシタへの充電電流とし、その端子電圧を換算値として利用する。これによりノイズは比較的簡単に除去できる。

一方で、キャパシタ電圧はその電流に対して位相が９０°遅れる。すなわち、電流検出値に対して９０°位相が遅れることとなる。つまり、超音波振動子の端子電圧とその電流を同相（力率１）で制御することは、超音波振動子の端子電圧と換算された電圧の位相差が９０°なることに等しい。

また、本発明の超音波非接触給電システムにおいて、共振周波数追従制御手段は、超音波振動子の振動速度を検出する振動センサを備え、送電側超音波振動子の端子電圧および振動速度を検出し、電圧と振動速度が同相となるように高周波インバータの動作周波数を制御することが好ましい。圧電体を用いた超音波振動子の振動速度と、高周波インバータにより制御される超音波振動子の端子電圧とを同相に調整し、電気機械エネルギー変換効率を最大化する。この場合においては、定格負荷から無負荷条件まで安定して高周波インバータの動作周波数を動作することができる。

ここで、高周波インバータの動作角周波数（ω_ｒ）と超音波振動子の共振角周波数（ω_ｍ）との間には、下記１）〜３）の位相関係がある。
１）高周波インバータの動作角周波数 ＜ 超音波振動子の共振角周波数の場合（ω_ｒ＜ω_ｍ）
振動子の振動速度（ｖ）は、振動子の端子電圧（Ｖ_ｂｌｔ）に対して進相する。
２）高周波インバータの動作角周波数 ＝ 超音波振動子の共振角周波数の場合（ω_ｒ＝ω_ｍ）
振動子の振動速度（ｖ）は、振動子の端子電圧（Ｖ_ｂｌｔ）と同相となる。
３）高周波インバータの動作角周波数 ＞ 超音波振動子の共振角周波数の場合（ω_ｒ＞ω_ｍ）
振動子の振動速度（ｖ）は、振動子の端子電圧（Ｖ_ｂｌｔ）に対して遅相する。

つまり、振動子の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと振動速度ｖの位相を検出し、進相の場合には、高周波インバータの動作周波数ω_ｒを高くなるように制御し、遅相の場合には、高周波インバータの動作周波数ω_ｒを低くなるように制御し、高周波インバータの動作角周波数ω_ｒが、振動子の共振角周波数ω_ｍ近傍で、動作するように、共振周波数追尾制御を行うことができる。

振動子の振動速度ｖを検出するには、振動センサを用いて振動速度を検出することができる。振動センサとしては、渦電流式変位センサ、動電型速度センサ、圧電型加速度センサ、圧電型速度センサなどがあり、振動子に接触あるいは非接触で振動速度を検出する。超音波の周波数が２０ｋＨｚ以上であることから、検出レンジが合うものを用いる。

なお、振動子の振動速度ｖを検出する手段としては、これに限ったものではなく、振動子の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと振動子に入る端子電流Ｉを検出し、所定の演算を行うことで、振動子の振動速度を検出することもできる。例えば、振動子の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと振動子の端子電流Ｉ_ｂｌｔを、各々トランス回路で２次側電圧値として検出し、差動器を介して差動出力電圧Ｖ_ｐを検出する回路であれば、各々のトランスコイルの巻き数に基づいて演算することにより、振動子の振動速度を検出する。このとき、差動器出力電圧Ｖ_ｐは、振動子の振動速度ｖに比べると９０°位相が遅れることになるので、差動出力電圧Ｖ_ｐは、振動子の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと比較すると、次の（ａ）〜（ｃ）のルールが適用できる。ここで、φは振動子の振動速度ｖと端子電圧Ｖの位相差である。
（ａ）ω_ｒ＜ω_ｍの場合、Ｖ_ｐはＶ_ｂｌｔに対して、９０°−φ 遅相する。
（ｂ）ω_ｒ＝ω_ｍの場合、Ｖ_ｐはＶ_ｂｌｔと、９０°遅相する。
（ｃ）ω_ｒ＞ω_ｍの場合、Ｖ_ｐはＶ_ｂｌｔに対して、９０°＋φ 遅相する。

上記ルール（ｂ）に従い、差動出力電圧Ｖ_ｐと振動子の端子電圧Ｖ_ｂｌｔが常に９０°の位相差になるように、高周波インバータの動作角周波数ω_ｒを制御することにより、電気・音響変換効率を最大に高めることができる。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、高周波インバータの出力電圧を制御する閉ループ制御回路を備え、送電側超音波振動子の使用環境に応じて変化する振動子変位の振幅を制御することが好ましい。
圧電体を用いた超音波振動子は、水中などの使用環境によって、負荷変動（出力変動）が生じ、振動子変位が大きく変化する。そのため、高周波インバータ側での動作周波数（発振周波数，励振周波数）を、送電側超音波振動子の圧電体の振動状態に応じて、常時追従する制御が必要である。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、送電側超音波振動子に固有の機械的な共振周波数と、受電側超音波振動子に固有の機械的な共振周波数とが、同一又は略同一であることが好ましい。それぞれの共振周波数が同一又は略同一であることにより、高効率の電力伝送を実現できる。

本発明の超音波非接触給電システムでは、送電部の高周波インバータと受電部の高周波整流回路は、フルブリッジ回路を構成する４石のスイッチング素子で構成されてもよい。送電部の高周波インバータでは、これらのスイッチング素子の駆動タイミングの位相制御のみにより、高周波出力を調整できる位相シフト・パルス幅変調方式を適用することが可能である。具体的には、高周波インバータおよび高周波整流回路は、共に、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子が直列接続され、各スイッチング素子に各々並列に逆並列ダイオードが接続された一対のインバータレッグから構成される。高周波インバータや高周波整流回路のスイッチング素子はＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどを素材とするパワー半導体スイッチであるＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成できる。
バッテリに並列に接続される電圧平滑用コンデンサは、高周波整流回路で整流された後に発生するリップルを抑え、より直流に近くなるように信号を平滑化する目的で用いられる。

上記の送電側超音波振動子および受電側超音波振動子は、共に、水中または海中に配置され、使用されることにより、水中または海中における非接触給電を実現できる。
また、送電側超音波振動子および受電側超音波振動子は、共に、圧電デバイスであるボルト締めランジュバン振動子（Bolt-Clamped Langevin Type Transducer；ＢＬＴ）であることが好ましい。ＢＬＴは、圧電性磁器（ＰＺＴ）振動子を２個の金属板でサンドイッチ状に挟み込み、それらをボルトで締め付けたものである。ＰＺＴは、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）の複合酸化物（セラミックス）であるジルコン酸チタン酸鉛であり、圧力をかけると電気的な分極が生じ、逆に電圧をかけるとそのものが伸縮する。ＢＬＴは、ボルトによって予め圧縮応力を付加しているため、非常に大きな応力振幅を得ることができ、強力な超音波振動子として利用できる。また、機械的強度が大きく、電気・音響変換効率が高く、海中での超音波非接触電力伝送に好適に用いることができる。上記の送電側超音波振動子および受電側超音波振動子は、それぞれ機械的な共振周波数を有するが、送電側超音波振動子の機械的な共振周波数と、受電側超音波振動子の機械的な共振周波数は、同一又は略同一にすることで、電力伝送の効率は高くなる。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、高周波インバータおよび高周波整流回路が共にフルブリッジ回路で構成される場合、送電部における直流電源の後段の回路と、受電部におけるバッテリおよび電圧平滑用コンデンサの前段の回路とは、送電側超音波振動子と受電側超音波振動子の間で互いに対称な回路構造を有する。
これにより、バッテリから直流電源への逆方向電力伝送が可能となり、水中など伝送媒体における双方向非接触電力伝送が実現できる。すなわち、電力フローの双方向機能を実現できる。

バッテリから直流電源への逆方向電力伝送の場合、受電部において、電圧平滑用コンデンサが切り離され、高周波アクティブ整流回路が高周波インバータとして機能し、受電側超音波振動子が送電側超音波振動子として機能する。これにより、受電部が送電部として機能し、他の送電部または他の受電部に給電する。
また、送電部において、高周波インバータが高周波整流回路として機能し、送電側超音波振動子が受電側超音波振動子として機能する。これにより、送電部が新たな受電部として機能し、直流電源に給電する。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、送電側共振回路および受電側共振回路は、リアクトルのみ、或は、リアクトルおよび可変キャパシタ、から構成される。ＢＬＴなどの圧電体を用いた超音波振動子は、容量性負荷であることから、リアクトルのみと組合せて共振回路を実現できる。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、送電部の直流電源は、太陽電池、燃料電池、バッテリ、火力発電装置、水力発電装置、風力発電装置、又は、原子力発電装置の直流出力電源である。
例えば、海中の自律航行潜水機の場合、海上フロートステーション（基地局）からの送電（太陽電池、水力発電）、海中における水力自家発電などから得られる電力を直流電源とすることが可能である。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、送電部の高周波インバータは、例えば、超音波振動子の周囲の水温および水圧の少なくとも何れかをセンシングした結果に基づいて、周波数制御が行われることでもよい。
海中の自律航行潜水機では、その深度（水圧）や海水の温度によって、圧電体の特性も変わり、効率の良い固有振動数も変わることから、超音波振動子の周囲の水温、水圧をセンシングするセンサを設け、センシングした結果に基づいて、超音波振動子へ送る電力周波数を制御する。これにより、より高効率で高性能な超音波非接触給電システムを実現する。

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、送電部の送電側超音波振動子および受電部の受電側超音波振動子は、振動子の姿勢制御機構を共に備え、互いに振動子の相対位置をセンシングして、超音波の発信方向と受信方向が共軸となるように各々の振動子の姿勢を調整して同一軸上で対向させる。
ＢＬＴなどの圧電体を用いた超音波振動子は、強い指向性を有することから、超音波の発信方向と受信方向が共軸となるように、モータ駆動機構を用いて、送電部と受電部の各々の振動子の姿勢が同一軸上で対向するように調整する。
本発明の超音波非接触給電システムは、例えば、水中で移動可能な自律航行潜水機、ロボット、探査機、および電動機器などの装置に好適に搭載される。

本発明の超音波非接触給電システムによれば、パワー半導体スイッチを用いた高周波インバータと、圧電体を用いた超音波振動子とを用いて、強力な超音波を利用して、高効率で高性能な非接触電力伝送が可能といった効果がある。
また、送電側から受電側への順方向の電力伝送のみならず、逆方向の電力伝送も可能であり、双方向非接触給電システムを実現できる。

超音波非接触給電システムの機能ブロック図 実施例１の超音波非接触給電システムの構成図 逆方向の電力伝送の説明図 高周波インバータの共振周波数追従制御の機能ブロック図 実施例２の超音波非接触給電システムの構成図 実施例３の超音波非接触給電システムの構成図 従来の超音波ワイヤレス電力送信装置の機能ブロック図（１） 従来の超音波ワイヤレス電力送信装置の機能ブロック図（２）

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１の超音波非接触給電システムの機能ブロック図を示している。また図２は、実施例１の超音波非接触給電システムの構成を示している。超音波非接触給電システムは、図１，２に示すように、送電部１と受電部２から構成される。送電部１は、主電源となる直流電源１１、直流電源１１より供給される電圧を交流電圧に変換するフルブリッジ回路で構成される高周波インバータ１２、高周波インバータ１２の出力に接続された送電側共振回路１３、送電側共振回路１３に接続された超音波振動子の送電側ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）１４から構成される。一方、受電部２は、送電側ＢＬＴ１４から発信される超音波を受信する超音波振動子の受電側ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）２４、受電側ＢＬＴ２４に接続された受電側共振回路２３、受電側共振回路２３の電圧を整流するフルブリッジ回路で構成される高周波整流回路２２、高周波整流回路２２の出力に接続された電圧平滑用コンデンサ２５、電圧平滑用コンデンサ２５に並列に接続された充放電可能なバッテリ２１から構成される。

送電部１では、送電側ＢＬＴ１４により電気・機械振動エネルギー変換を行う。受電部２では、受電側ＢＬＴ２４により伝送媒体として海水などを介して、送電側ＢＬＴ１４からの機械振動の超音波を受信する。そして、圧電効果によって高周波電圧を生成する。受電部２は、生成した高周波電圧を、高周波整流回路２２を用いて直流電圧へと変換する。

送電部１の高周波インバータ１２と受電部２の高周波整流回路２２は、フルブリッジ回路を構成する４石のＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴといった逆導通形パワー半導体スイッチ（Ｑ_１〜Ｑ_４）で構成される。具体的には、ハイサイドのスイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_３）とローサイドのスイッチング素子（Ｑ_２、Ｑ_４）がそれぞれ直列接続され、各スイッチング素子に各々並列に逆並列ダイオードが接続された一対のインバータレッグから構成される。そして、送電部１の高周波インバータ１２は、スイッチング素子（Ｑ_１〜Ｑ_４）の駆動タイミングの位相制御のみにより、高周波出力を調整できる位相シフト・パルス幅変調方式を適用する。

受電部２のバッテリ２１に並列に接続される電圧平滑用コンデンサ２４は、高周波整流回路２２で整流された後に発生するリプルを抑え、より直流に近くなるように信号を平滑化する。

送電側共振回路１３および受電側共振回路２３は、リアクトル（Ｌ_１、Ｌ_２）と可変キャパシタ（Ｃ_１、Ｃ_２）から構成される。ＢＬＴなどの圧電体を用いた超音波振動子は、キャパシタ型負荷（Ｃ型負荷）であることから、リアクトルのみと組合せて共振回路を実現してもよい。

前述した通り、ＢＬＴは、ボルトによって予め圧縮応力を付加しているため、非常に大きな応力振幅を得ることができ、強力な超音波振動子として利用できる。また、機械的強度が大きく、電気・音響変換効率が高い。そのため、海中での超音波非接触電力伝送に適している。ＢＬＴは、固有の機械的な共振周波数を有しているが、その共振周波数又はその近傍の周波数でＢＬＴを駆動することで、非常に大きな応力振幅を得ることができる。そのためには、高周波整流回路２２のスイッチング周波数を、各ＢＬＴが有している固有の機械的な共振周波数又はその近傍の周波数に設定を行う必要がある。

さらに、高効率の電力伝送できる非接触給電システムを実現するためには、送電側ＢＬＴ１４と受電側ＢＬＴ２４の機械的な共振周波数が、同一又は略同一のＢＬＴを利用することが重要である。また、ＢＬＴの機械的な共振周波数は、周囲の環境、例えば、水温、水圧や送電側ＢＬＴ１４と受電側ＢＬＴ２４との距離や配置等により変化するものである。そのために、受電側ＢＬＴ２４の機械的な共振周波数が変化していくのを検知して、高周波アクティブ整流回路２２のスイッチング周波数を変更することで、送電側ＢＬＴ１４を、最も効率の高くなる送電側ＢＬＴ１４の機械的な共振周波数付近で駆動させることができる。

送電側ＢＬＴ１４の機械共振角周波数ω_ｍ１と高周波インバータ１２の共振角周波数ω_ｒ１と一致させ（ω_ｒ１＝ω_ｍ１）、また、受電側ＢＬＴ２４の機械共振角周波数ω_ｍ２と高周波アクティブ整流回路２２の共振角周波数ω_ｒ２を一致させる。もちろん、送電側ＢＬＴ１４と受電側ＢＬＴ２４の間の距離およびそれぞれのＢＬＴの姿勢制御が良好であり、エネルギー伝送状態が良い場合は、ω_ｒ１＝ω_ｒ２とし、送電側ＢＬＴ１４の共振周波数追従制御のみで良い。この時は、受電側のスイッチ部Ｓ_５〜Ｓ_８は常時オフとして、Ｄ_５〜Ｄ_８のみ導通するフルブリッジダイオード整流回路として動作できるため、受電側のスイッチＱ_５〜Ｑ_８でのスイッチング損失が抑制でき、超音波非接触給電システム全体を高効率に電力変換動作できる。

また、送電側ＢＬＴ１４と受電側ＢＬＴ２４は、ＢＬＴの姿勢制御機構を共に備えており、互いに相手のＢＬＴの相対位置をセンシングして、超音波の発信方向と受信方向が共軸となるように各々のＢＬＴの姿勢を調整して同一軸上で対向させて伝送効率を高めるようにする。ＢＬＴは、通常、円柱形又は方形の形状をしている。姿勢制御機構は、モータ駆動により、ＢＬＴ本体の姿勢を制御して、超音波発信方向あるいは受信方向を調整するものである。なお、送信側ＢＬＴ１４の発信部に拡音器、受信側ＢＬＴ２４の受信部に集音器を設けてもよい。

受電側ＢＬＴ２４は、送電側ＢＬＴ１４の振動する周波数に合致するような周波数で、振動を行い、受電側ＢＬＴ２４の両端子からは、受電側ＢＬＴ２４の振動する周波数に応じた交流電圧が発生する。
受電部２の高周波整流回路２４をダイオード整流回路として動作させる場合は、Ｓ_５〜Ｓ_８はすべて常時オフとする。一方、受電部２の高周波整流回路２４をアクティブ整流回路として動作させる場合、すなわち送電側と独立してω_ｒ２＝ω_ｍ２を成立させる場合、高周波整流回路２４は、ブリッジレス整流回路およびトーテムポールブリッジレス整流回路の２つの動作が可能である。ここで、ブリッジレス整流回路は高周波整流回路２４において、主にローサイドスイッチＱ_６とＱ_８、すなわちＳ_６とＳ_８を、受電側ＢＬＴ２４の電圧（または電流）の極性に応じてＰＷＭ制御し、Ｓ_５とＳ_７は常時オフとして、ダイオード導通モードとする。また、トーテムポールブリッジレス整流回路は、高周波整流回路２４において、Ｓ_５とＳ_６（Ｓ_７とＳ_８）をＰＷＭ制御する一方、Ｓ_７とＳ_８（Ｓ_５とＳ_６）を常時オフして、ダイオード導通のみとする。

また、送電側ＢＬＴ１４の振動する振幅は、大きい方が有利であるが、機械的な強度限界を有する場合には、送電側ＢＬＴ１４の振動する振幅を、機械的な強度限界を超えないように制御を行う必要がある。一般的には、スイッチング周波数の半分の時間を、スイッチング素子Ｑ_１とＱ_４を同時に導通させ、後の半分の時間を、スイッチング素子Ｑ_２とＱ_３を同時に導通させる。
送電側ＢＬＴ１４に給電する電力を抑制し、その振動する振幅を制御するためには、スイッチング周波数は変えないで、スイッチング素子Ｑ_１とＱ_４、Ｑ_２とＱ_３のオンする駆動タイミング位相を変えることで行うことができる。そのためには、送電側ＢＬＴ１４の振動する振幅を検出する検出センサを設けて、送電側ＢＬＴ１４の振動振幅が一定になるように、駆動タイミング位相を変えることで制御できる。

図２に示すように、送電部１における直流電源１１の後段の回路（１２〜１４）と、受電部２におけるバッテリ２１および電圧平滑用コンデンサ２５の前段の回路（２２〜２４）とは、送電側ＢＬＴ１４と受電側ＢＬＴ２４の間で互いに対称な回路構造である。この回路構造により、図３に示すように、バッテリ２１から直流電源１１への逆方向電力伝送が可能である。

バッテリ２１から直流電源１１への逆方向電力伝送の場合、図３において、受電部２では、切り離しスイッチ２６により電圧平滑用コンデンサ２５が切り離され、高周波整流回路２２が高周波インバータとして機能し、受電側ＢＬＴ２４が送電側ＢＬＴとして機能する。これにより、受電部２が送電部として機能して、受電側に給電できるようになる。一方、送電部１では、高周波インバータ１２が高周波整流回路として機能し、送電側ＢＬＴ１４が受電側ＢＬＴとして機能する。これにより、送電部１が受電部として機能して、直流電源１１に給電できるようになる。

次に、図４を参照して、高周波インバータの送電側ＢＬＴ１４の端子電圧Ｖ_ｂｌｔおよび端子電流Ｉ_ｂｌｔを用いた共振周波数追従制御の機能ブロックについて説明する。
高周波インバータの共振周波数追従制御は、位相シフト（ＰＳ）・パルス幅変調（ＰＷＭ）信号発生回路（以下、ＰＳ−ＰＷＭ信号発生回路）４０からのパルスパターンに応じてゲート駆動回路４１を動作させ、送電側ＢＬＴ１４に固有の機械的な共振振動数に高周波インバータ１２の共振周波数を追従させている。まず、送電側ＢＬＴ１４の端子電圧Ｖ_ｂｌｔおよび端子電流Ｉ_ｂｌｔをそれぞれ電圧センサと電流センサで検出する。検出した端子電流Ｉ_ｂｌｔを、キャパシタを用いて端子電流Ｉ_ｂｌｔと９０°位相が遅れた電圧Ｖ_ｃに変換し（Ｉ−Ｖ変換４２）、端子電圧Ｖ_ｂｌｔと共に電圧Ｖ_ｃとを、位相差検出器３２に入力する。そして位相差検出器３２で、端子電流Ｉ_ｂｌｔ検出値を電圧変換した値と端子電圧Ｖ_ｂｌｔの位相差を演算し、常に９０°の位相差になるように、ＰＳ−ＰＷＭ信号発生回路４０のクロック（ＣＫ）を制御し（電圧制御発振器３４）、高周波インバータ１２の動作周波数を制御する。ここでは、共振周波数追従制御を行う回路３０を、９０°位相差ロック型ＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路と定義する。
高周波インバータの送電側ＢＬＴ１４の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと振動速度ｖの位相を制御する場合や高周波インバータの送電側ＢＬＴ１４の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと振動子の振動速度ｖに比べると９０°位相が遅れる差動器出力電圧Ｖ_ｐの位相を制御する場合も、略同様の制御を行うことで共振周波数追従制御を行うことができる。

これにより、高周波インバータ１２はその最大出力を生成する電気的共振点で動作できると同時に、送電側ＢＬＴ１４の機械共振周波数を反映している端子電圧Ｖ_ｂｌｔと端子電流Ｉ_ｂｌｔが同相となるため、負荷力率が１となり送電側ＢＬＴ１４の機械的出力を最大限に生み出すことができる。すなわち、ＢＬＴ１４の振動速度と、高周波インバータ１２により制御されるＢＬＴ１４の端子電圧Ｖ_ｂｌｔとを同相に調整し、電気機械エネルギー変換効率を最大化する。定格負荷から無負荷条件まで安定して高周波インバータ１２の動作周波数を動作することができる。なお、低域通過フィルタ３３は高調波成分をカットするためのノイズフィルタとして用いている。

また、定振幅制御回路５０により、高周波インバータ１２の出力電圧を調整し送電側ＢＬＴ１４の使用環境に応じて変化する振動子変位の振幅を制御する。定振幅制御回路５０の機能ブロックは、図４に示すように、送電側ＢＬＴ１４の端子電圧Ｖ_ｂｌｔと指令値Ｖ_ｂｌｔ ^＊とを比較する比較器（コンパレータ）５１、比較結果の差分値を増幅する誤差増幅器５２、比例積分器５３、リミッタ５４で構成される。

図５に示す超音波非接触給電システムは、送電部１における直流電源１１を三相（ｕ，ｖ，ｗ）ブリッジの高周波インバータ１７で三相交流に変換する構成である。三相交流は、送電側共振回路（１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ）で共振させて送電側ＢＬＴ１４に供給される。送電側ＢＬＴ１４は、三相交流で動作するものを用いる。また、受電部２では、受電側ＢＬＴ２４で受信した超音波振動を受電側共振回路（２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ）で共振させて、三相（ｕ，ｖ，ｗ）ブリッジの高周波整流回路２７で直流電圧に変換してバッテリ２１に給電する。

上述の実施例１，２では、高周波インバータ１２と高周波整流回路２２は、フルブリッジ回路で構成された例を示したが、これに限定したものではなく、例えば、図６に示すようなハーフブリッジ回路で、高周波インバータ１８と高周波整流回路２８を構成することもできる。
ここで、Ｃ_３，Ｃ_４は、電源電圧Ｖ_ｉｎの分割キャパシタであり、Ｃ_７，Ｃ_８は負荷電圧Ｖ_０の分割キャパシタであって、ハーフブリッジ回路の構成要素である。なお、ハーフブリッジ回路を構成要素とする場合は、フルブリッジ回路を構成要素とする場合と比較して、定格出力は相対的に小さく、また超音波振動子の振幅制御の可能範囲は狭い。

本発明の超音波非接触給電システムは、海底や水槽中を航行する移動体（探査機）など、電気的絶縁かつ電食などによる電力伝送ケーブルの利用が困難な環境にある電動機器（ロボットなど）に対する給電システムとして有用である。

１ 送電部
２ 受電部
３，４ 超音波振動子
５ 共振周波数追従制御手段
６ 超音波振動
１１ 直流電源
１２，１７，１８ 高周波インバータ
１３ 送電側共振回路
１４ 送電側ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）
２１ バッテリ
２２，２７，２８ 高周波整流回路
２３ 受電側共振回路
２４ 受電側ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）
２５ 電圧平滑用コンデンサ
２６ 切り離しスイッチ
３０ ９０°位相差ロック型位相同期ループ（ＰＬＬ）回路
４０ 位相シフト・パルス幅変調(ＰＳ−ＰＷＭ)信号発生回路
５０ 定振幅制御回路

Claims (18)

1. 送電部と受電部から構成される非接触給電システムであって、
   前記送電部は、
   直流電源と、前記直流電源より供給される電圧を交流電圧に変換する高周波インバータと、前記高周波インバータの出力に接続された送電側共振回路と、前記送電側共振回路に接続された圧電体を用いた送電側超音波振動子と、前記送電側超音波振動子に固有の機械的な共振振動数に前記高周波インバータの共振周波数を追従させる共振周波数追従制御手段から成り、
   前記受電部は、
   前記送電側超音波振動子から発信される超音波を受信する圧電体を用いた受電側超音波振動子と、前記受電側超音波振動子に接続された受電側共振回路と、前記受電側共振回路の電圧を整流する高周波整流回路と、前記高周波整流回路の出力に接続された電圧平滑用コンデンサと、前記電圧平滑用コンデンサに並列に接続されたバッテリと、から成る、
   ことを特徴とする超音波非接触給電システム。
2. 前記高周波インバータおよび前記高周波整流回路は、共に、フルブリッジ回路で構成され、
   前記送電側超音波振動子に固有の機械的な共振振動数に前記高周波インバータの共振周波数を追従させることを特徴とする請求項１に記載の超音波非接触給電システム。
3. 前記共振周波数追従制御手段は、位相差検出回路と電圧制御発振回路を備え、前記送電側超音波振動子の端子電圧および端子電流を検出し、電圧と電流が同相となるように前記高周波インバータの動作周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波非接触給電システム。
4. 前記共振周波数追従制御手段は、超音波振動子の振動速度を検出する振動センサを備え、前記送電側超音波振動子の端子電圧および振動速度を検出し、電圧と振動速度が同相となるように前記高周波インバータの動作周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波非接触給電システム。
5. 前記高周波インバータの出力電圧を調整する機能を更に備え、前記送電側超音波振動子の使用環境に応じて変化する振動子変位の振幅を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
6. 前記送電側超音波振動子に固有の機械的な共振周波数と、前記受電側超音波振動子に固有の機械的な共振周波数とが、同一又は略同一であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
7. 前記高周波インバータおよび前記高周波整流回路は、共に、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子が直列接続され、各スイッチング素子に各々並列に逆並列ダイオードが接続された一対のインバータレッグから成ることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
8. 前記送電側超音波振動子および前記受電側超音波振動子は、共に、水中または海中に配置され、使用されることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
9. 前記送電側超音波振動子および前記受電側超音波振動子は、共に、ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
10. 前記送電部における前記直流電源の後段の回路と、前記受電部における前記バッテリおよび前記電圧平滑用コンデンサの前段の回路とは、前記送電側超音波振動子と前記受電側超音波振動子の間で互いに対称な回路構造を有するものであることを特徴とする請求項２〜９の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
11. 前記受電部において、前記電圧平滑用コンデンサが切り離され、前記高周波整流回路が高周波インバータとして機能し、前記受電側超音波振動子が送電側超音波振動子として機能することにより、新たな送電部として機能し、前記送電部または新たな受電部に給電することを特徴とする請求項１０に記載の超音波非接触給電システム。
12. 前記送電部において、前記高周波インバータが高周波整流回路として機能し、前記送電側超音波振動子が受電側超音波振動子として機能することにより、新たな受電部として機能し、前記直流電源に給電することを特徴とする請求項１０に記載の超音波非接触給電システム。
13. 前記送電側共振回路および前記受電側共振回路は、リアクトルのみ、或は、リアクトルおよび可変キャパシタ、から成ることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
14. 前記直流電源は、太陽電池、燃料電池、バッテリ、火力発電装置、水力発電装置、風力発電装置、又は、原子力発電装置の直流出力電源であることを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
15. 前記送電部の前記送電側超音波振動子および前記受電部の前記受電側超音波振動子は、振動子の姿勢制御機構を共に備え、互いに振動子の相対位置をセンシングして、超音波の発信方向と受信方向が共軸となるように各々の振動子の姿勢を調整して同一軸上で対向させることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
16. 請求項１〜１５の何れかの超音波非接触給電システムを構成する送電部。
17. 請求項１〜１５の何れかの超音波非接触給電システムを構成する受電部。
18. 請求項１〜１５の何れかの超音波非接触給電システムが搭載された水中で移動可能な自律航行潜水機、ロボット、探査機、および電動機器の何れかの装置。