JP7007875B2 - 高周波発振装置およびこれを用いた無線給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波発振装置およびこれを用いた無線給電装置に関する。

通信装置などのように、高周波を発振する高周波発振装置は、例えばＥ級インバータなどの高周波生成部で生成した高周波の電力をアンテナなどの発振部に供給している。このような高周波発振装置は、効率の向上のために高周波生成部と発振部との間の整合を図る必要がある。そこで、高周波発振装置は、高周波生成部と発振部との間に整合器を設けている。整合器は、特性の異なる複数の整合回路を有している。高周波生成部と発振部との間の特性にあわせて、この整合回路を切り替えることにより、高周波生成部と発振部との間の整合が図られる。
一般に、整合器における整合回路の切り替えは、例えばリレーなどの機械的な開閉器が用いられる。開閉器によって整合回路を断続することにより、高周波生成部と発振部との間に接続される整合回路は切り替えられる。

しかしながら、機械的な開閉器は、機構上、機械的な作動をともなうため、接点や作動部分が消耗し、寿命が短いという問題がある。そこで、機械的な開閉器に代えて、半導体による無接点のスイッチング素子の利用が進んでいる。ところが、高周波生成部と発振部との間の整合回路を切り替えに半導体デバイスを用いる場合、半導体デバイスの応答速度によっては高周波が通過するとき、波形のひずみや損失を招くおそれがある。このため、高周波のスイッチングを行なうためには、作動周波数の高い高速なＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子が必要になる。

国際公開ＷＯ２０１２／０７０１６２号公報

そこで、本発明の目的は、高周波生成部で生成される高周波に比較して低い周波数または直流を用いて、整合回路の特性を切り替える高周波発振装置およびこれを用いた無線給電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、整合器の整合回路は、整流要素部を通してスイッチ部によって特性が切り替えられる。整合器の整合回路には、それぞれ整流要素部が設けられている。整流要素部は、整合回路において、高周波生成部から発振部へ供給される高周波を整流する。スイッチ部は、この整流要素部を通して整合回路を切り替える。すなわち、スイッチ部は、整流要素部で整流された直流を断続する。スイッチ部で整流された電流の流れをオフにすることにより、このスイッチ部が接続する整流要素部においても高周波の電流の流れがオフされる。つまり、コンデンサを含む整合回路における電流の流れは、スイッチ部の断続によって、高周波の周波数にかかわらず切り替えられる。このように、スイッチ部は、整流要素部で整流された直流を断続するだけでよい。したがって、高周波生成部で生成される高周波に比較して低い周波数または直流を用いて整合回路を切り替えることができ、スイッチ部に求められる性能を低減することができる。

一実施形態による高周波発振装置の整流要素部およびスイッチ部の構成を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置の電気的な構成を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置のスイッチ部の断続と整合回路を流れる電流との概略的な関係を示す模式図 一実施形態による高周波発振装置において、スイッチ部がオンのとき、整流要素部を流れる電流を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置において、スイッチ部の断続と、整流要素部のコンデンサの電圧と、整合回路を流れる電流との関係を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置における整流要素部の回路構成の変形例を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置におけるスイッチ部の回路構成の変形例を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置を適用した無線給電装置の概略的な構成を示す模式図 一実施形態による高周波発振装置を適用した搬送システムの構成を示す模式図 一実施形態による高周波発振装置を適用した搬送システムを示す模式図 一実施形態による高周波発振装置を適用した無線給電装置の検出回路部の電気的な回路構成を示す概略図 一実施形態による高周波発振装置を適用した無線給電装置において、整合出力と、高周波生成部と発振部との間の整合との関係を説明する概略図

以下、高周波発振装置およびこれを用いた無線給電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示すように一実施形態による高周波発振装置１０は、高周波生成部１１、発振部１２および整合器１３を備えている。高周波生成部１１は、例えば高周波を生成するＥ級インバータによって構成され、生成した高周波の電力を発振部１２へ印加する。高周波生成部１１は、例えば水晶などの発振素子および半導体のスイッチング素子などによって構成され、Ｅ級インバータに限らず、高周波を生成可能であれば任意の構成とすることができる。発振部１２は、例えばアンテナなどで構成され、高周波生成部１１で生成された高周波を発信する。

整合器１３は、高周波生成部１１と発振部１２との間に設けられている。整合器１３は、１つ以上の整合回路１４を有している。図２に示す例の場合、整合回路１４は、コイル１４１およびコンデンサ１４２から特定のインピーダンスに設定されたＬＣ回路である。整合器１３に含まれる整合回路１４の数は、高周波生成部１１と発振部１２との間で変化する特性にあわせて任意の数に設定される。図２に示す例の場合、整合器１３は、３つの整合回路１４を有している。

高周波発振装置１０は、整合回路１４のそれぞれに設けられている整流要素部１５およびスイッチ部１６を備えている。整流要素部１５は、整合回路１４に接続しており、例えば図１に示すようなダイオードを組み合わせたダイオードブリッジ１７および平滑用のコンデンサ１８を有している。整流要素部１５は、高周波生成部１１から発振部１２へ供給される高周波を整流する。

スイッチ部１６は、この整流要素部１５に接続しており、整流要素部１５を通して整合回路１４の切り替えを行なう。スイッチ部１６は、整流要素部１５を挟んで整合回路１４と反対側に接続している。スイッチ部１６は、無接点型の直流スイッチ、トランジスタ、トライアック、ダイオード、駆動周波数が低いＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどを有している。この場合、スイッチ部１６の駆動周波数は、高周波生成部１１から発振部１２へ供給される高周波の周波数よりも十分に低く設定されている。スイッチ部１６は、ゲート１９へ入力される制御信号がオンまたはオフされることにより、整合回路１４に使用されるコンデンサ１４２を切り替える。すなわち、スイッチ部１６は、図３に示すように時期ｔ０から時期ｔ１までの間、オンされることによりコンデンサ１４２への通電をオンにする。そして、スイッチ部１６は、時期ｔ１においてオフされることにより、スイッチとしての機能を発揮する。

図４に示す例に基づいて、整流要素部１５およびスイッチ部１６による整合回路１４の具体的な作動を説明する。
整流要素部１５は、整合回路１４に接続していることから、高周波生成部１１から発振部１２へ印加される高周波が入力される。整流要素部１５に高周波が印加されると、電流は整流要素部１５のコンデンサ１８を通して流れる。このように、整流要素部１５に高周波が印加される場合、整流要素部１５は印加される高周波を整流する。そのため、スイッチ部１６には、高周波が印加されない。すなわち、スイッチ部１６を流れる電流、およびスイッチ部１６に印加される電圧は、直流となる。

ここで、スイッチ部１６がオンの場合、コンデンサ１８の両端における電圧Ｖｃは、直流であろうと高周波であろうと、いずれも「０Ｖ」になる。そのため、図４（ａ）に示すように高周波の正のサイクルのとき、電流は順方向へ流れるとともに、図４（ｂ）に示すように高周波の負のサイクルとのとき、電流は逆方向へ流れる。いずれにしても、スイッチ部１６がオンの場合、コンデンサ１８の両端の電圧Ｖｃが「０Ｖ」となる。そのため、高周波の場合、両端の電圧Ｖｃが「０Ｖ」となるコンデンサは、回路を短絡する。したがって、図４（ａ）および図４（ｂ）の矢印Ｉｃで示すように、整流要素部１５における電流は、スイッチ部１６を経由することなく、コンデンサ１８を通して流れる。

このように、スイッチ部１６がオンのとき、整流要素部１５に接続する整合回路１４は、高周波による電流Ｉｉの流れが確保される。つまり、整合回路１４は、オンになる。一方、スイッチ部１６がオフされると、平滑用のコンデンサ１８は充電される。そのため、コンデンサ１８の電圧Ｖｃは、図５に示すように入力される高周波の振幅に等しくなるまで上昇する。コンデンサ１８の電圧Ｖｃが上昇すると、高周波の周期の全体で電圧が「０」または逆バイアスとなって、結果として整流要素部１５は開放状態となる。すなわち、スイッチ部１６がオフの場合、整流要素部１５に接続する整合回路１４は、高周波による電流Ｉｉの流れが遮断される。つまり、整合回路１４に接続するコンデンサ１４２が変化することにより、整合回路１４の特性の変更すなわち切り替えが可能となる。

以上のように、スイッチ部１６のオンまたはオフによって、整合回路１４は、図３および図５に示すように、オンまたはオフされる。すなわち、スイッチ部１６は、整流要素部１５で整流された直流を断続する。そのため、スイッチ部１６は、上述のように無接点型の直流スイッチ、トランジスタまたは低周波で作動するＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどを用いることができる。

整流要素部１５は、上述のようにダイオードブリッジ１７の例に限らない。整流要素部１５は、例えば図６（ａ）に示すようなシングルシリーズ回路、図６（ｂ）に示すようなシングルシャント回路、図６（ｃ）に示すような倍電圧回路、図６（ｄ）に示すような倍電流回路、図６（ｅ）に示すようなブリッジＣ回路、図６（ｆ）に示すようなブリッジＬ回路など、任意の構成を採用することができる。また、整流要素部１５の平滑作用が不足する場合、スイッチ部１６は図７に示すようにコイル素子２１を追加してもよい。

次に、上記の高周波発振装置１０を適用した無線給電装置３０について説明する。
図８に示す無線給電装置３０は、搬送システム３１に適用されている。図８～図１０に示すように、搬送システム３１は、無線給電装置３０および移動体３２を備えている。無線給電装置３０は、送電電極部材となる発振部１２、および受電電極部材３３を備えている。発振部１２は、例えば工場や倉庫など、搬送システム３１を用いる設備３４に設けられている。移動体３２は、設備３４に設定されている走行路３５に沿って移動する。移動体３２は、図９に示すように整流回路部３６、バッテリ３７、制御部３８および駆動部３９を有している。整流回路部３６は、受電電極部材３３で受け取った高周波を直流に整流する。バッテリ３７は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池で構成され、整流回路部３６で整流された電力を貯える。制御部３８は、バッテリ３７への充電を制御するとともに、駆動部３９で発生する駆動力を制御する。駆動部３９は、モータ４１および車輪４２を有しており、モータ４１によって車輪４２を回転駆動する。移動体３２は、駆動部３９で発生する駆動力によって走行路３５に沿って移動する。移動体３２は、図１０に示すように発振部１２と反対側の端面に荷物などを搭載する荷台４３を有している。

本実施形態の搬送システム３１の場合、電力を供給する送電電極部材である発振部１２は、移動体３２が移動する走行路３５の一部に設けられている。移動体３２は、走行路３５に沿って走行する際に、走行路３５の一部に設けられた発振部１２と対向することにより、発振部１２から駆動用の電源となる電力を受け取る。移動体３２は、受電電極部材３３で受け取った電力を、整流回路部３６で整流した後、バッテリ３７に貯える。発振部１２の全長は、１台の移動体３２の全長よりも長く設定されている。発振部１２の全長を延長することにより、２台以上の移動体３２が発振部１２から同時に電力を受け取ることができる。

無線給電装置３０を構成する発振部１２は、一対の並列するレール状に設けられている。発振部１２は、直線状に限らず、設備の構造に応じた曲線状や屈曲状であってもよい。発振部１２は、例えばアルミニウム、銅あるいは鉄などの材料で形成され、板状である。無線給電装置３０を構成する受電電極部材３３は、移動体３２に設けられている。受電電極部材３３は、発振部１２と同様にアルミニウム、銅あるいは鉄などの材料で形成されている。受電電極部材３３は、一対の発振部１２に対応して移動体３２に一対設けられている。受電電極部材３３は、発振部１２と対向している。この場合、発振部１２と受電電極部材３３とは、所定の間隔を形成しつつ非接触で対向している。

このように、発振部１２と受電電極部材３３との間に隙間を形成することにより、これらの間には誘電体となる空気が満たされる。これにより、発振部１２と受電電極部材３３との間には、静電的な容量が確保される。そのため、発振部１２から受電電極部材３３には、電界結合を利用して無線による電力の供給が行なわれる。

無線給電装置３０は、図８に示すように上述した高周波発振装置１０に加え、検出回路部５１および制御部５２を備えている。高周波発振装置１０を構成する高周波生成部１１と、検出回路部５１および制御部５２とは、例えば制御盤５３として一体に構成することができる。高周波生成部１１は、制御電源５４および主電源５５に接続している。高周波生成部１１は、制御電源５４から得られた電力によって制御されるとともに、主電源５５から得られた電力を用いて高周波を生成する。

高周波発振装置１０の整合器１３は、上述のように複数の整合回路１４を有している。本実施形態のように高周波発振装置１０を搬送システム３１の無線給電に用いる場合、整合回路１４は、図２に示すようにコイル１４１およびコンデンサ１４２を含み、特定のインピーダンスに設定されたＬＣ回路である。また、高周波発振装置１０を搬送システム３１に適用する場合、整合回路１４の数は、発振部１２から電力を受け取り可能な移動体３２の数に合わせて設定される。図２に示す整合器１３は、４台の移動体３２にあわせて３つの整合回路１４を有している。例えば、発振部１２と対向する移動体３２の数が１台のとき、すべての整合回路１４はオフされる。これに対し、発振部１２と対向する移動体３２の数が変化すると、オンされる整合回路１４の数は変更される。このように、整合器１３は、発振部１２と対向する移動体３２の数に合わせて整合回路１４をオンまたはオフする。

検出回路部５１は、図８に示すように高周波生成部１１と整合器１３との間に設けられている。検出回路部５１は、例えば図１１に示すような回路を有している。検出回路部５１は、高周波生成部１１から出力される高周波と、発振部１２における高周波の発振との整合を検出する。具体的には、検出回路部５１は、受電電極部材３３の数すなわち移動体３２の数によって整合が変化する発振部１２からの反射波の出力に基づいて、高周波生成部１１と受電電極部材３３との間の整合を検出する。以下、反射の出力は、「整合出力」という。

図１２に示すように、整合出力は、高周波生成部１１と発振部１２との整合の有無によって変化する。すなわち、整合出力は、高周波生成部１１と発振部１２とが整合しているとき、低出力Ｐ１となる。一方、整合出力は、高周波生成部１１と発振部１２とが整合していないとき、低出力Ｐ１よりも大きな高出力Ｐ２となる。例えば、発振部１２から電力を受け取る移動体３２の数と整合器１３の整合回路１４のインピーダンスとが整合しているとき、整合出力は低出力Ｐ１となる。検出回路部５１は、この整合出力を検出することにより、高周波生成部１１から出力される高周波と発振部１２における高周波の発振とが整合しているか否か、すなわち整合器１３の整合回路１４のインピーダンスと移動体３２の数とが整合しているか否かを検出する。検出回路部５１は、検出した整合出力を制御部５２へ出力する。

制御部５２は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御部５２は、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に整合器１３を制御する。なお、制御部５２は、ハードウェア的またはソフトウェアとハードウェアとの協働によって整合器１３を制御してもよい。制御部５２は、検出回路部５１で検出された整合出力に基づいて、整合器１３の整合回路１４のスイッチ部１６をオンまたはオフする。すなわち、制御部５２は、整合出力に基づいて、スイッチ部１６のゲート１９に入力する制御信号をオンまたはオフする。制御部５２は、整合器１３の整合回路１４のオンまたはオフすることにより、移動体３２の数に応じて高周波生成部１１と発振部１２との間のインピーダンスの整合を図る。

以上説明した一実施形態では、整合器１３の整合回路１４で使用されるコンデンサ１４２は、整流要素部１５を通してスイッチ部１６によって切り替えられる。整合器１３の整合回路１４には、それぞれ整流要素部１５が設けられている。整流要素部１５は、整合回路１４において、高周波生成部１１から発振部１２へ供給される高周波を整流する。スイッチ部１６は、この整流要素部１５を通して整合回路１４に使用されるコンデンサ１４２を切り替える。すなわち、スイッチ部１６は、整流要素部１５で整流された直流を断続する。スイッチ部１６で整流された電流の流れをオフにすることにより、このスイッチ部１６が接続する整流要素部１５においても高周波の電流の流れがオフされる。その結果、スイッチ部１６は、整合回路１４を流れる高周波の電流に同期してオンまたはオフする必要がない。つまり、整合回路１４に使用されるコンデンサ１４２は、スイッチ部１６の断続によって、高周波の周波数にかかわらず切り替えられる。このように、スイッチ部１６は、整流要素部１５で整流された直流を断続するだけでよい。したがって、高周波生成部１１で生成される高周波に比較して低い周波数または直流を用いて整合回路１４の特性を切り替えることができ、スイッチ部１６に求められる性能を低減することができる。

また、一実施形態では、スイッチ部１６は、直流電流または低周波で整合回路１４に使用されるコンデンサ１４２を切り替える。そのため、スイッチ部１６は、高い周波数で作動する高価なＭＯＳＦＥＴを必要とすることなく、簡便なトランジスタや低い周波数で作動する素子を用いることができる。したがって、高価で大型の素子を必要とせず、構造の簡略化を図ることができる。また、スイッチ部１６は、整流要素部１５で整流された電流をオンまたはオフする。そのため、高周波生成部１１から発振部１２へ印加される高周波を直接オンまたはオフする必要がない。これにより、本実施形態で適用した搬送システム３１の移動体３２への給電のように大きな電流が流れる場合でも、スイッチ部１６の構成が簡素化される。したがって、大電流に対応した複雑かつ高度な構成を用いることなく、簡単な構成で大きな電流を用いるシステムにも適用することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
上記の一実施形態では、高周波発振装置１０を搬送システム３１の移動体３２への無線給電に適用する例について説明した。しかし、一実施形態の高周波発振装置１０は、無線給電に限らず、例えば無線通信など、高周波を発振する機器において、高周波生成部と発振部との間で整合を図る場合にも適用することができる。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１０は高周波発振装置、１１は高周波生成部、１２は発振部（送電電極部材）、１３は整合器、１４は整合回路、１５は整流要素部、１６はスイッチ部、３０は無線給電装置、３３は受電電極部材、５１は検出回路部、５２は制御部を示す。

Claims (5)

1. 高周波の電力を生成する高周波生成部（１１）と、
   前記高周波生成部（１１）で生成された高周波を送信する発振部（１２）と、
   前記高周波生成部（１１）と前記発振部（１２）との間に設けられ、コンデンサ（１４２）を含み前記高周波生成部（１１）と前記発振部（１２）との間の整合を図るための特性の異なる１つ以上の整合回路（１４）を有する整合器（１３）と、
   前記整合器（１３）の前記整合回路（１４）のそれぞれに設けられ、前記高周波生成部（１１）から前記発振部（１２）へ供給される高周波を整流する整流要素部（１５）と、
   前記整流要素部（１５）を挟んで前記整合回路（１４）の反対側にそれぞれ接続し、前記整流要素部（１５）で整流された直流を断続することにより、前記整流要素部（１５）を通して前記整合回路（１４）に使用される前記コンデンサ（１４２）を切り替えるスイッチ部（１６）と、
   を備える高周波発振装置。
2. 前記スイッチ部（１６）は、前記高周波生成部（１１）で生成される高周波よりも低い周波数で回路を断続する低周波のスイッチング素子を有する請求項１記載の高周波発振装置。
3. 前記スイッチ部（１６）は、前記整流要素部（１５）で整流された直流電流を断続するスイッチング素子を有する請求項１記載の高周波発振装置。
4. 前記整合器（１３）は、インピーダンスの異なる１つ以上の整合回路（１４）を有する請求項１から３のいずれか一項記載の高周波発振装置。
5. 送電電極部材（１２）と受電電極部材（３３）との間の静電容量を用いた電界結合によって、前記送電電極部材（１２）から前記受電電極部材（３３）へ無線で電力を供給する無線給電装置であって、
   請求項１から４のいずれか一項記載の高周波発振装置（１０）と、
   前記高周波生成部（１１）から出力される高周波と前記発振部（１２）における高周波の送信との整合を検出する検出回路部（５１）と、
   前記検出回路部（５１）で検出した整合に基づいて、前記整合器（１３）の前記整合回路（１４）を切り替える制御部（５２）と、
   を備える無線給電装置。

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