JP2021114840A - 無線通信システムおよび無線通信システムの通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線で供給される電力に基づき負荷に印加する電圧を高精度に制御できるようにする。【解決手段】無線通信システムは、第１の基準信号に対して、０またはπの移相量の移相を行うことにより、スイッチング制御信号を出力する移相回路と、スイッチング制御信号を基に、入力電圧をスイッチングし、スイッチングした電圧を送電コイルに印加するスイッチ回路と、送電コイルが送電する電力を電磁界結合により受電する受電コイルと、送信回路が無線送信する第１の基準信号を第３の基準信号として無線受信する受信回路と、移相量を除き、第３の基準信号と、受電コイルが受電した電力との位相差を検出し、位相差が０になるように、第３の基準信号を移相し、第５の基準信号を出力する信号処理部と、第５の基準信号を基に、受電コイルが受電した電圧をスイッチングにより整流し、整流した電圧を負荷に供給する整流回路とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信システムおよび無線通信システムの通信方法に関する。

近年、モータ等の負荷部への給電の無線化が求められる状況がある。例えば半導体露光装置では、ウエハを露光位置に移動させるためのステージ上に、ウエハ上にパターンを形成するために微細移動させるモータが搭載されており、そのモータを駆動するためのケーブルがステージ上に接続されている。このケーブルは、ステージの移動に併せて動くため、ケーブルの張力がステージの位置決め精度に影響を与えている。そこで、モータ駆動を無線化することにより、ケーブル張力による外乱を低減することが望まれている。

モータへの給電の無線化に関して、特許文献１には、車輪を無線で駆動するモータの構成が記載されている。無線でモータを駆動するためには、電力伝送だけでなく、モータ駆動回路用の制御信号も無線で送る必要があるため、電波を用いた無線通信を行っている。この通信を用いて可動側にあるモータ駆動回路へ制御信号を送ることで、モータ駆動回路の制御を実現している。さらに、電波を用いた無線通信には数百μｓ〜数ｍｓの遅延時間が生じるため、無線通信を用いずに可動側に駆動電流や駆動電圧などの検出回路を設け、検出値に基づきフィードバック制御を行うことで、整流回路の制御を実現している。

一方、モータの駆動信号は、微弱な数ｍＶから百Ｖ程度の広範囲にわたり、線形に入力する必要がある。ダイオードを用いた整流回路では、ダイオードのオン電圧付近で非線形な特性となってしまうため、アクティブスイッチング素子を用いた同期整流回路による非接触給電装置の制御方法が特許文献２に記載されている。

特許第６２１９４９５号公報 特許第５９２８８６５号公報

近年、無線で供給される電力に基づいてモータ等の負荷部に印加される電圧を高精度に制御することが求められている。特許文献１に記載の方法は、電波を用いた無線通信に数百μｓ〜数ｍｓの遅延が生じるため、モータ駆動回路への制御信号を数百μｓ以下の周期で送ることができない。また、整流回路の制御にあたって、受電側で電流の検出結果を用いるため、モータ駆動電圧が微弱である場合に検出誤差が生じてしまう可能性があり、制御誤差の増大が懸念される。

本発明の目的は、無線で供給される電力に基づき負荷に印加する電圧を高精度に制御できるようにすることである。

本発明の無線通信システムは、送電コイルと、第１の基準信号または前記第１の基準信号に同期した第２の基準信号に対して、０またはπの移相量の移相を行うことにより、スイッチング制御信号を出力する移相回路と、前記スイッチング制御信号を基に、入力電圧をスイッチングし、前記スイッチングした電圧を前記送電コイルに印加するスイッチ回路と、前記送電コイルが送電する電力を電磁界結合により受電する受電コイルと、前記第１の基準信号を無線送信する送信回路と、前記送信回路が無線送信する第１の基準信号を第３の基準信号として無線受信する受信回路と、前記移相量を除き、前記第３の基準信号または前記第３の基準信号に同期した第４の基準信号と、前記受電コイルが受電した電力との位相差を検出し、前記位相差が０になるように、前記第３の基準信号または前記第４の基準信号を移相し、第５の基準信号を出力する信号処理部と、前記第５の基準信号を基に、前記受電コイルが受電した電圧をスイッチングにより整流し、前記整流した電圧を負荷に供給する整流回路とを有する。

本発明によれば、無線で供給される電力に基づき負荷に印加する電圧を高精度に制御することができる。

無線通信システムの構成例を示す斜視図である。 無線通信システムの構成例を示すブロック図である。 直交検波回路の構成例を示す図である。 直交検波回路の動作を示すタイミングチャートである。 直交検波回路の動作を示すタイミングチャートである。 受電器の位置と伝搬遅延時間の関係を示す図である。 受電器の位置と伝搬遅延時間の関係を示す図である。 無線通信システムの構成例を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による無線通信システム３００の構成例を示す斜視図である。無線通信システム３００は、例えば半導体露光装置であり、固定側装置と可動側装置を有する。

固定側装置は、可動ステージ４０１を可動するための動力源４０２と、送電装置１００と、送電器１１０とを有する。送電器１１０は、動力源４０２上に配置され、図２の送電コイル１１１と送信結合器１１２が搭載される。送電装置１００は、動力源４０２上に配置され、送電器１１０に必要な信号または電力を供給する。送電装置１００と送電器１１０は、固定側装置に配置され、動かないことを前提として説明するが、例えば半導体露光装置が粗動ステージと微動ステージにより構成されるような場合には、固定側装置が粗動ステージ上に搭載され、可動するような構成であってもよい。

可動側装置は、可動ステージ４０１と、受電装置２００と、受電器２１０とを有する。受電装置２００と受電器２１０は、可動ステージ４０１の上に配置される。受電器２１０は、送電器１１０より送電された電力または信号を受電または受信する。受電装置２００は、モータ駆動用信号を出力する。

受電器２１０は、図２の受電コイル２１１と受信結合器２１２を有する。受電コイル２１１と受信結合器２１２は、送電器１１０の送電コイル１１１と送信結合器１１２に対して、互いに非接触にて電磁結合状態となるように配置され、可動ステージ４０１と共に移動する。この時、送電器１１０を可動ステージ４０１の移動範囲をカバーするように長尺にすることで、可動ステージ４０１が任意の位置に移動しても、非接触に給電することができる。

なお、送電コイル１１１と受電コイル２１１は、プリント基板の配線で形成してもよく、プリント基板に磁性シートを貼付して磁界結合時の損失を低減してもよい。また、送電コイル１１１と受電コイル２１１は、フェライト等の磁性体とリッツ線等の巻線を用いた巻線トランスでもよい。また、送電コイル１１１の形状は、例えば横長の楕円形のコイルであり、受電コイル２１１の形状は、送電コイル１１１に比べて短尺なコイルであってもよい。また、受電コイル２１１が長尺であり、送電コイル１１１が短尺であってもよい。

送信結合器１１２は、例えばプリント基板に配置された長尺な差動信号配線であり、一端が基準信号を入力し、他端が差動信号配線の特性インピーダンスなどの種々の終端回路により終端される。受信結合器２１２は、例えばプリント基板で形成された方向性結合器などで構成され、受電装置２００の差動入力に接続される。送信結合器１１２と受信結合器２１２の各差動信号配線が対向して電磁界結合することにより、信号が伝達される。

なお、送信結合器１１２と受信結合器２１２は、電磁界結合通信の他に、光結合通信によって非接触伝送する手段によって置き換えることができる。例えば、レーザや指向性の鋭い発光ダイオードを固定側装置に配置し、可動ステージ４０１の移動方向に沿って発光させておき、その光路上に受光面が位置するようにフォトダイオードなどの受光素子を可動側装置に配置すればよい。

図２は、第１の実施形態による無線通信システム３００の構成例を示すブロック図である。無線通信システム３００は、送電装置１００と、送電器１１０と、受電装置２００と、受電器２１０と、モータ４００とを有する。送電器１１０と受電器２１０の間は物理的には接続されておらず、送電コイル１１１から受電コイル２１１へモータ駆動用制御電力が非接触で送られる。

なお、モータ４００を微細駆動するためには、微弱な駆動信号を伝送する必要があり、ダイオード整流では対応できないため、アクティブスイッチ素子を用いた同期整流回路２０６が必須となる。この同期整流回路２０６に必要な基準信号を送信結合器１１２と受信結合器２１２を用いて伝送する。以下、無線通信システム３００の通信方法を説明する。

コントローラ１０３は、光学センサなどから得られる現在の可動ステージ４０１の位置情報（モータ４００の位置情報）を基に、次の位置の指令を電源１０４と移相回路１０２に出力する。具体的には、コントローラ１０３は、モータ４００の推力を決める出力電圧振幅値Ａを電源１０４に出力し、モータ４００の動く向きを決めるモータ印加電圧符号情報φを移相回路１０２に出力する。

電源１０４は、モータ４００を駆動する電力源である。コントローラ１０３が電源１０４へ指令信号として出力電圧振幅値Ａを出力することで、電源１０４は、所望の出力電圧をスイッチ回路１０６に出力する。

移相回路１０２は、コントローラ１０３が出力するモータ印加電圧符号情報φを基に、基準周波数源１０５が生成する基準信号（基準周波数信号）に対して、０またはπの移相量の移相を行うことにより、スイッチング制御信号をスイッチ回路１０６に出力する。

スイッチ回路１０６は、移相回路１０２が出力するスイッチング制御信号を基にスイッチング素子を駆動し、電源１０４から供給される入力電圧を高周波スイッチングし、スイッチングした無線電力伝送可能な高周波電圧を送電コイル１１１に印加する。このとき、スイッチング周波数は、コントローラ１０３の指令信号の周期、すなわちモータ制御周波数よりも高周波である。以上の処理によって、送電コイル１１１には、モータ制御に必要な情報を含んだ送電電圧（電流）が供給される。

受電コイル２１１は、送電コイル１１１が送電する電力を、非接触かつ電磁界結合により受電する。受電回路２０４は、受電コイル２１１に接続される。受電回路２０４は、インダクタとコンデンサを含んだ共振回路で形成されており、その共振周波数は、スイッチ回路１０６のスイッチング動作周波数、または基準周波数源１０５の周波数と略等しい。

受電回路２０４の出力端子は、同期整流回路２０６に接続される。同期整流回路２０６は、ゲート駆動回路２０５のスイッチング制御信号によってアクティブスイッチング素子のゲートを駆動し、受電回路２０４が出力する電力を同期整流する。同期整流回路２０６は、モータ４００の駆動周波数に対応する平滑回路を含んでおり、平滑化された制御信号をモータ４００へ供給する。モータ４００は、負荷であり、制御信号を基に駆動する。

同期整流回路２０６は、アクティブスイッチング素子を用いた同期整流をすることで、ダイオードでは整流できない数ｍＶの小さな電圧でも整流でき、微小電圧をモータ４００に印加することができるため、モータ４００を高精度に制御可能である。また、一般的な同期整流回路は、スイッチング素子を４個使用して実現するが、この場合、正負両方に変化する電圧を出力することができない。なぜなら、スイッチング素子には、ボディーダイオードやそれと等価の寄生素子が存在し、スイッチング素子は、ドレインおよびソース間に逆バイアスがかかると、ゲートの駆動状態にかかわらず、ドレインおよびソース間が導通状態になってしまうためである。そのため、同期整流回路２０６は、２つのスイッチング素子で構成される双方向スイッチング素子を有する。この構成とすることで、ゲート駆動回路２０５がオン制御を実施しない限り、同期整流回路２０６の双方向スイッチング素子が導通することはなく、同期整流回路２０６は、正負に両方に変化する電圧を出力することが可能となる。なお、同期整流回路２０６のソースおよびゲート間駆動電源は、絶縁電源等によって構成され、各ソース電位を基準として５〜１０V程度の電圧を供給可能な浮動電源から供給することで実現できる。

次に、ゲート駆動回路２０５が同期整流回路２０６に出力するスイッチング制御信号について述べるために、無線通信システム３００の動作原理を数学的観点で説明する。図２中の電圧Ｆ１〜Ｆ８は、各部の電圧波形の関数である。電圧Ｆ１は、電源１０４の出力電圧であり、モータ４００の駆動に必要な電圧の絶対値である。電圧Ｆ１は、［数１］で表すことができる。

電圧Ｆ４は、基準周波数源１０５の出力電圧であり、［数２］で表される。ここでは、便宜上、電圧Ｆ４は、正弦波として示すが、矩形波を用いてもよい。

電圧Ｆ３は、移相回路１０２がコントローラ１０３の指令に従って電圧Ｆ４を位相差φだけ移相したスイッチ回路制御信号であり、［数３］で表される。厳密に言えば、電圧Ｆ３は、スイッチング素子のデットタイムが挿入されるが、送電装置１００が共振状態にあれば、無視することができるので、便宜上、デットタイムは、［数３］には表現しない。

電圧Ｆ２は、スイッチ回路１０６の出力電圧である。スイッチ回路１０６は、モータ４００の駆動に必要な電圧を無線電力伝送に適した高周波電力に変換する回路であり、電圧Ｆ１とＦ３を時間軸上で掛け合わせる掛け算器として考えることができる。よって、電圧Ｆ２は、［数４］で与えられる。

電圧Ｆ２は、送電コイル１１１から受電コイル２１１へ電磁界結合を介して伝搬し、受電回路２０４によって力率調整がなされた後、同期整流回路２０６へ入力される。なお、便宜上、ここでは、送電コイル１１１と受電コイル２１１は、電圧比１：１で理想的に結合されていると仮定する。電圧比が１：１でない場合は、所望の特性となるように、振幅Ａを調整すればよい。電圧Ｆ５は、同期整流回路２０６入力電圧であり、［数５］で与えられる。

ここで、θ１は、送電コイル１１１から同期整流回路２０６の直前に至るまでの伝搬遅延と、受電回路２０４の共振のずれによる位相差の総和である。送信結合器１１２は、基準周波数源１０５に接続される。受信結合器２１２は、受信回路２０２に接続される。基準周波数源１０５は、送信回路であり、送信結合器１１２および受信結合器２１２を介して、受信回路２０２に基準信号を無線送信する。受信回路２０２は、基準周波数源１０５が送信結合器１１２および受信結合器２１２を介して無線送信した基準信号を無線受信する。電圧Ｆ６は、受信回路２０２の出力電圧であり、［数６］で表すことができる。

ここで、θ２は、送信結合器１１２から受信結合器２１２に至るまでの伝搬遅延と、受信回路２０２による遅延時間などの総和である。ここで、仮に、同期整流回路２０６が受信回路２０２の出力電圧Ｆ６で同期整流したとする。電圧Ｆ８は、同期整流回路２０６の出力電圧である。同期整流回路２０６は、スイッチ回路１０６と同様に、掛け算器として考えることができるので、同期整流回路２０６の出力電圧Ｆ８は、電圧Ｆ５とＦ６を時間軸上で掛け合わせた電圧であり、［数７］で与えられる。

ここで、［数７］について、第１項目は掛け算により発生する高調波成分を意味している。同期整流回路２０６の出力電圧Ｆ８は、電力伝送周波数に対して十分低いインピーダンスを示す平滑用コンデンサ等により平滑化されるため、高調波成分は無視できる程度に減衰する。結果として、電圧Ｆ８は、［数７］の第２項目で表される。したがって、電圧Ｆ８は、モータ４００の駆動電圧であり、［数８］で与えられる。

［数８］は、移相回路１０２の移相量φによって、電圧Ｆ８を正弦的に可変可能であることを示している。なお、［数８］の最大値は、電源１０４の電圧Ｆ１の半分と読み取れるが、これはスイッチ回路１０６を正弦波駆動した場合の結果である。スイッチ回路１０６をデューティ比５０％の理想矩形波で駆動したと仮定すれば、［数８］の最大値は、電源１０４の電圧Ｆ１と同一になる。その場合の電圧Ｆ８は、電圧Ｆ８’で表される。電圧Ｆ８’は、［数９］で表される。

ここで、位相差θは、θ１−θ２である。また、モータ印加電圧符号情報φは、モータ４００の正転・逆転に応じて、０またはπ（１８０°）の値をとる。モータ印加電圧符号情報φを０とπで交互に切り替えたとき、電圧Ｆ８’は、［数１０］で与えられる。

ここで、θ１は、送電コイル１１１から同期整流回路２０６の直前に至るまでの伝搬遅延と、受電回路２０４の共振のずれによる位相差の総和である。θ２は、送信結合器１１２から受信結合器２１２に至るまでの伝搬遅延と、受信回路２０２による遅延時間などの総和である。つまり、［数１０］において、θ１とθ２が等しく、θ＝０の時、電圧Ｆ８’の絶対値は、電源１０４の出力電圧Ａと等しくなり、最も理想的となる。

そこで、直交検波回路２０１がθ１とθ２の位相ずれ量を検出し、信号処理部２０９が受信回路２０２の出力電圧Ｆ６を補正する。つまり、信号処理部２０９は、受信回路２０２の出力電圧Ｆ６の位相をθ２からθ１となるように移相し、電圧Ｆ７をゲート駆動回路２０５に出力する。電圧Ｆ７は、［数１１］で表される。

同期整流回路２０６は、電圧Ｆ７のスイッチング制御信号で、電圧Ｆ５をスイッチングした場合、［数１２］の電圧Ｆ８を出力する。電圧Ｆ８は、電圧Ｆ５とＦ７の掛け算で表される。

ここで、［数７］から［数９］と同様に、平滑化と矩形波によるスイッチングを考慮すると、電圧Ｆ８は、［数１３］で表される。

これにより、受電回路２０４の出力電圧Ｆ５と信号処理部２０９の出力電圧Ｆ７の位相がモータ印加電圧符号情報φの変化を除き一致する。そのため、モータ駆動電圧Ｆ８は、モータ印加電圧符号情報φにより正負の出力電圧として、コントローラ１０３から電源１０４へ出力された指令電圧と一致する。

なお、ゲート駆動回路２０５の出力電圧は、信号処理部２０９の出力電圧に基づき、同期整流回路２０６のアクティブスイッチング素子をスイッチングするが、貫通電流による素子の破壊を防ぐためデットタイムなどが挿入される。

以上で、無線通信システム３００の動作を数学的に表すことができた。また、［数１０］より、モータ４００の正転・逆転制御を行うためには、電源１０４の電圧Ｆ１の値や伝搬遅延差θにかかわらず、モータ印加電圧符号情報φを０とπで切り替えればよいことが分かる。例えば、移相回路１０２の移相量φが０のとき、モータ駆動電圧Ｆ８が１Ｖだったとすると、移相回路１０２の移相量φがπに変化すると、モータ駆動電圧Ｆ８は−１Ｖに変化する。以上の動作を言い換えると、基準周波数源１０５とゲート駆動回路２０５が周波数同期してさえいれば、制御信号を非接触伝送することなく、モータ４００の推力の正転または逆転を制御することが可能となる。なお、同期整流回路２０６、ゲート駆動回路２０５、直交検波回路２０１および信号処理部２０９の動作に必要な電力は、別途、送電されるものとする。

次に、直交検波回路２０１について説明する。同期整流回路２０６の入力電圧Ｆ５は、［数５］で表される。ここで、φはモータ印加電圧符号情報であり、０またはπである。［数５］にφ＝０を代入すると、位相角はωｔ−θ１となる。また、［数５］にφ＝πを代入しても、位相角はωｔ−θ1となり、モータ印加電圧符号情報φによって変化しない。一方、信号処理部２０９の入力電圧Ｆ６は、［数６］で表される。つまり、同期整流回路２０６の入力電圧Ｆ５と信号処理部２０９の入力電圧Ｆ６とは、θ１−θ２だけ位相ずれが発生することとなる。直交検波回路２０１は、この位相差θを0にする、または可能な限り小さくすることを目的としている。信号処理部２０９は、受信回路２０２の出力電圧Ｆ６から、同期整流回路２０６の入力電圧Ｆ５に同期した電圧Ｆ７を生成する。

図３は、直交検波回路２０１の一例を示す図である。受電コイル２１１で受電したモータ駆動用信号から同期検波用の位相情報を得るため、トランス５００は、受電回路２０４の受電電流に同期した誘導電流をピックアップする。この誘導電流は、抵抗によって電圧に変換され、コンパレータ５０１によってデジタル信号に変換される。コンパレータ５０１の出力信号Ａ１は、排他的論理和回路５０２Ｉと５０２Ｑの一方に入力される。排他的論理和回路５０２Ｉの他方の入力には、信号処理部２０９より基準信号Ａ２が入力される。移相回路５０５は、基準信号Ａ２を９０°移相した基準信号Ａ５を出力する。排他的論理和回路５０２Ｑの他方の入力端子には、基準信号Ａ５が入力される。

ローパスフィルタ５０３Ｉは、排他的論理和回路５０２Ｉの出力信号Ａ３の低周波数成分を通過させ、信号Ａ４をアナログデジタル変換器５０４Ｉに出力する。ローパスフィルタ５０３Ｑは、排他的論理和回路５０２Ｑの出力信号Ａ６の低周波数成分を通過させ、信号Ａ７をアナログデジタル変換器５０４Ｑに出力する。アナログデジタル変換器５０４Ｉは、信号Ａ４をアナログ信号からデジタル信号に変換することにより、Ｉ信号を生成する。アナログデジタル変換器５０４Ｑは、信号Ａ７をアナログ信号からデジタル信号に変換することにより、Ｑ信号を生成する。

信号処理部２０９は、アナログデジタル変換器５０４Ｉにより変換されたデジタル信号を、正の範囲の信号から、−１〜１の符号付き信号へと変換し、正規化されたＩ信号を得る。また、信号処理部２０９は、アナログデジタル変換器５０４Ｑにより変換されたデジタル信号を、正の範囲の信号から、−１〜１の符号付き信号へと変換し、正規化されたＱ信号を得る。例えば、信号処理部２０９は、アナログデジタル変換器５０４Ｉおよび５０４Ｑにより変換されたデジタル信号に対して、０．５を減算し、２を乗じる演算を行うことにより、オフセットバイナリと呼ばれる形式に変換し、正規化する。このようにして、信号処理部２０９は、受電回路２０４が受電したモータ駆動用信号と基準信号Ａ２との位相差をＩ信号とＱ信号として検出することができる。

信号処理部２０９は、移相量φを除き、受信回路２０２が出力する基準信号と、受電回路２０４が出力する電力との位相差を検出し、その位相差が０になるように、受信回路２０２が出力する基準信号を移相し、移相した基準信号をゲート駆動回路２０５に出力する。ゲート駆動回路２０５は、信号処理部２０９が出力する基準信号を基に、スイッチング制御信号を同期整流回路２０６に出力する。同期整流回路２０６は、ゲート駆動回路２０５が出力するスイッチング制御信号を基に、受電回路２０４が出力する電圧をスイッチングにより整流し、整流した電圧をモータ４００に供給する。

図４（ａ）は、受電したモータ駆動用信号（同期整流回路２０６への入力信号）と基準信号Ａ２が同期している場合のタイミングチャートである。横軸は時間示し、縦軸は正規化した電圧を示す。信号Ａ１は、コンパレータ５０１の出力信号である。信号Ａ２は、信号処理部２０９から出力される基準信号である。信号Ａ３は、排他的論理和回路５０２Ｉの出力信号である。信号Ａ４は、ローパスフィルタ５０３Ｉの出力信号である。信号Ａ５は、基準信号Ａ２に対して位相が９０°シフトした信号である。信号Ａ６は、排他的論理和回路５０２Ｑの出力信号である。信号Ａ７は、ローパスフィルタ５０３Ｑの出力信号である。

図４（ａ）の左半分は、モータ印加電圧符号情報φが０の時のモータ駆動用信号の伝送時のタイミングチャートである。図４（ａ）の右半分は、モータ印加電圧符号情報φがπの時のモータ駆動用信号の伝送時のタイミングチャートである。モータ印加電圧符号情報φが０の時は、モータ駆動電圧Ｆ８が基準電位に対して正となる。モータ印加電圧符号情報φがπの時は、モータ駆動電圧Ｆ８が基準電位に対して負となる。

受電したモータ駆動用信号と基準信号Ａ２が同期している場合、ローパスフィルタ５０３Ｉの出力信号Ａ４は、モータ印加電圧符号情報φの値により０または１となる。モータ印加電圧符号情報φの切り替え時に、出力信号Ａ４が遷移する時間は、ローパスフィルタ５０３Ｉの時定数等の特性に依存する。一方、ローパスフィルタ５０３Ｑの出力信号Ａ７は、伝送されるモータ駆動用信号の論理にかかわらず０．５となる。

図４（ｂ）は、同期整流回路２０６の入力信号に対して基準信号Ａ２がΔｔだけ遅れている場合のタイミングチャートである。このΔｔは、同期整流回路２０６の入力信号と基準信号Ａ２との位相差θに相当する。位相差θが存在する時、図４（ｂ）のローパスフィルタ５０３Ｉの出力信号Ａ４は、図４（ａ）のローパスフィルタ５０３Ｉの出力信号Ａ４からαだけずれる。同様に、図４（ｂ）のローパスフィルタ５０３Ｑの出力信号Ａ７は、図４（ａ）のローパスフィルタ５０３Ｑの出力信号Ａ７からαだけずれる。

図４（ｃ）は、Ｉ信号およびＱ信号と位相差θの関係を示す図である。位相差θは、［数１４］で表される。

信号処理部２０９は、演算やテーブル等により、Ｉ信号とＱ信号から位相差θを演算し、Δｔを求める。そして、信号処理部２０９は、Δｔだけ基準信号Ａ２をずらすことによって、受電したモータ駆動用信号と基準信号が同期するように作用する。

同期整流回路２０６の入力電圧Ｆ５と信号処理部２０９の出力電圧Ｆ７の位相差θが０、つまり同期している状態になったとしても、モータ印加電圧符号φによって、Ｉ信号は−１または１と変化してしまう。しかしながら、Ｑ信号は０を保持する。つまり、信号処理部２０９は、Ｑ信号が常に０となるように制御すればよい。

コンパレータ５０１がヒステリシス特性を有するコンパレータである場合、コンパレータ５０１は、ヒステリシスの範囲を超える入力を必要とする。一方で、モータ駆動用信号は、微調整時には数ｍＶ程度の範囲になる可能性があり、コンパレータ５０１が正しく識別できなくなる場合がある。この場合、コンパレータ５０１の出力信号Ａ１は、識別不能になる直前の論理に固定されてしまう。

図５は、コンパレータ５０１が正しく識別できなくなった場合のタイミングチャートである。例えば、コンパレータ５０１の出力信号Ａ１がハイレベルに固定される。この時、ローパスフィルタ５０３Ｉの出力信号Ａ４とローパスフィルタ５０３Ｑの出力信号Ａ７は、０．５となり、信号処理部２０９は、Ｉ信号とＱ信号がともに０と認識してしまう。つまり、コンパレータ５０１がモータ駆動用信号を正しく識別できない場合、Ｉ信号とＱ信号は、単位円の原点付近に位置することとなる。このことから、信号処理部２０９は、Ｉ信号とＱ信号の関係が単位円からはずれた場合、直交検波回路２０１による位相追従を一旦停止するのがよい。この場合の対処方法としては、信号処理部２０９は、検出不可状態の前の位相状態で基準信号を固定するか、あらかじめ取得した可動ステージ４０１の位置情報と位相差θの関係を示すテーブルを用意し、そのテーブルに従って位相を変化させる。

なお、このような状態は、コンパレータ５０１が識別できないほど送電電力が小さい場合に発生するため、発熱による加工精度の劣化は少ないと考えられる。トランス５００は、大きな受電電力を受けたとしても、コンパレータ５０１の入力定格を超えないように巻き数比やトランスの定格等が選択される。受電電流に同期した信号を得るためにトランス５００を使用したが、トランス５００の代わりに、フォトカプラ等を使用してもよい。また、コンパレータ５０１は、ヒステリシス特性をもっていてもよく、その場合は、ノイズ耐性が向上する。一方で、コンパレータ５０１は、ヒステリシス特性により位相のオフセットが発生するため、その分の遅延時間分を信号処理部２０９等で補正する必要がある。また、コンパレータ５０１の入力電圧がヒステリシス特性より低い時は、コンパレータ５０１は、入力電圧を正しく識別できないため、Ｉ信号とＱ信号は、単位円よりはずれてしまう。この場合は、前述のような対処を必要とする。本実施形態では、デジタル信号処理による直交検波回路２０１の例を説明するが、無線システム等で使用されるアナログ回路方式による直交検波回路なども適用することができる。

無線通信システム３００の初期シーケンスについて説明する。同期整流回路２０６は、前述のように双方向スイッチング素子を使用する場合、ゲート駆動回路２０５よりゲート制御信号を入力しなければ、動作しない。また、モータ印加電圧符号情報φによってＩ信号およびＱ信号が変動するため、あらかじめモータ印加電圧符号情報φを決定しておき、同期した状態を確立した後、無線通信システム３００を稼働させる必要がある。

（第２の実施形態）
図６（ａ）は、第２の実施形態による送電器１１０と受電器２１０の構成例を示す図である。送電器１１０は、送電コイル１１１と送信結合器１１２を有する。受電器２１０は、受電コイル２１１と受信結合器２１２を有する。送信結合器１１２は、左端が基準周波数源１０５により給電され、右短が終端された差動伝送線路で構成される。受電コイル２１１と受信結合器２１２は、送電コイル１１１と送信結合器１１２に対して、相対的に平行移動する。

図６（ｂ）は、第２の実施形態による受電器２１０の位置による伝搬遅延時間の違いを示すグラフである。モータ制御用信号は、送電コイル１１１と受電コイル２１１間の磁界結合により伝送される。また、同期整流用の基準信号は、送信結合器１１２と受信結合器２１２間の電磁界結合により伝送される。

送信結合器１１２は、左端が基準周波数源１０５により給電され、右短が終端された差動伝送線路で構成される。そのため、送信結合器１１２の左端より給電された基準信号が、送信結合器１１２の右端に到着するのに、伝搬時間を要する。具体的には、送信結合器１１２が長さ６００ｍｍで比誘電率４のＦＲ−４基板により形成される場合、送信結合器１１２の左端の基準信号が送信結合器１１２の右端に到着するまでに約４ｎ秒かかる。よって、受電器２１０の位置により、基準信号の伝搬遅延時間が変動し、基準信号の位相が変動する。図６（ｂ）の実線が基準信号の伝搬遅延時間を示す。なお、図６（ｂ）は、受電器２１０が左端にある場合の伝搬遅延時間を基準とするために０にしている。

一方、送電コイル１１１は、コイル形状である。そのため、受電器２１０の位置によらず、送電コイル１１１から送電された信号の位相と受電コイル２１１の出力信号の位相は、ほぼ一定となる。図６（ｂ）の破線は、受電コイル２１１が出力するモータ制御用信号の伝搬遅延時間を示す。このことより、モータ制御用信号の位相と同期整流用の基準信号は、受電器２１０の移動に伴い、位相が変動することがわかる。このように、可動ステージ４０１の移動に伴い、受電器２１０が移動することで、基準信号の位相が変動することに対して、直交検波回路２０１を用いて変動に追従する。

一方で、図７（ａ）のように、基準周波数源１０５が送信結合器１１２に給電する位置は、送信結合器１１２の長手方向に対して略中央であり、送信結合器１１２の両端は、終端回路に接続することができる。基準周波数源１０５は、送信結合器１１２の長手方向に対して略中央に接続される。ただし、その場合は、送信結合器１１２を左右に２分割し、分配器等を用いて送信結合器１１２に給電する必要がある。

図７（ｂ）は、実線が基準信号の伝搬遅延時間を示し、破線がモータ制御用信号の伝搬遅延時間を示す。基準信号の給電位置を送信結合器１１２の略中央にすることにより、図７（ｂ）の基準信号の伝搬遅延時間は、図６（ｂ）の基準信号の伝搬遅延時間の半分に抑制することができる。

本実施形態によれば、信号処理部２０９は、Ｉ信号とＱ信号の変動が小さくなるため、位相差検出誤差を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態による無線通信システム３００の構成例を示す図である。図８の無線通信システム３００は、図２に対して、分周回路８０１，８０２と、ＰＬＬ回路８０３，８０４と、制御装置８０５，８０６と、制御用電源送電回路８０７と、送電コイル８０８と、受電コイル８０９と、制御用電源受電回路８１０を追加したものである。

ＰＬＬ回路８０３は、位相ロックループ回路であり、基準周波数源１０５が出力する基準信号に同期した基準信号を分周回路８０１に出力する。分周回路８０１は、ＰＬＬ回路８０３が出力する基準信号を分周し、分周した基準信号を移相回路１０２に出力する。ＰＬＬ回路８０３と分周回路８０１は、基準周波数源１０５が出力する基準信号に同期した基準信号を移相回路１０２に出力する。制御装置８０５は、基準周波数源１０５とＰＬＬ回路８０３を制御する。制御装置８０５は、ＰＬＬ回路８０３の周波数を設定する。なお、コントローラ１０３がＰＬＬ回路８０３の周波数を設定してもよい。

ＰＬＬ回路８０４は、位相ロックループ回路であり、受信回路２０２が出力する基準信号に同期した基準信号を分周回路８０２に出力する。分周回路８０２は、ＰＬＬ回路８０４が出力する基準信号を分周し、分周した基準信号を信号処理部２０９に出力する。ＰＬＬ回路８０４と分周回路８０２は、受信回路２０２が出力する基準信号に同期した基準信号を信号処理部２０９に出力する。制御装置８０６は、ＰＬＬ回路８０４の周波数を設定する。

制御用電源送電回路８０７は、送電コイル８０８を介して、制御用電源電力を送電する。制御用電源受電回路８１０は、受電コイル８０９を介して、制御用電源電力を受電し、各部の電源ポートに電源電力を供給する。

信号処理部２０９は、受電回路２０４が出力するモータ制御用信号と、信号処理部２０９が出力する基準信号の位相ずれを補正することができる。さらに、送電コイル１１１が送電するモータ制御用信号と、送信結合器１１２が送信する基準信号は、異なる周波数に設定することができる。このメリットは、複数軸のモータの制御を行いたいときに、周波数分離が可能になり、送電コイル１１１の電力と送信結合器１１２の信号の干渉を抑制することができる点にある。

第１〜第３の実施形態によれば、無線通信システム３００は、微弱なモータ駆動用信号を正確にかつ効率良く伝送できるため、発熱を少なくすることができる。また、無線通信システム３００は、高速化を妨げる要因であった、基準信号の伝送遅延の影響を低減し、モータ制御の高速化を実現できる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 送電装置、１０２ 移相回路、１０３ コントローラ、１０４ 電源、１０５ 基準周波数源、１０６ スイッチ回路、１１０ 送電器、１１１ 送電コイル、１１２ 送信結合器、２００ 受電装置、２０１ 直交検波回路、２０２ 受信回路、２０４ 受電回路、２０５ ゲート駆動回路、２０６ 整流回路、２０９ 信号処理部、２１１ 受電コイル、２１２ 受信結合器、４００ モータ

Claims (9)

1. 送電コイルと、
   第１の基準信号または前記第１の基準信号に同期した第２の基準信号に対して、０またはπの移相量の移相を行うことにより、スイッチング制御信号を出力する移相回路と、
   前記スイッチング制御信号を基に、入力電圧をスイッチングし、前記スイッチングした電圧を前記送電コイルに印加するスイッチ回路と、
   前記送電コイルが送電する電力を電磁界結合により受電する受電コイルと、
   前記第１の基準信号を無線送信する送信回路と、
   前記送信回路が無線送信する第１の基準信号を第３の基準信号として無線受信する受信回路と、
   前記移相量を除き、前記第３の基準信号または前記第３の基準信号に同期した第４の基準信号と、前記受電コイルが受電した電力との位相差を検出し、前記位相差が０になるように、前記第３の基準信号または前記第４の基準信号を移相し、第５の基準信号を出力する信号処理部と、
   前記第５の基準信号を基に、前記受電コイルが受電した電圧をスイッチングにより整流し、前記整流した電圧を負荷に供給する整流回路と
   を有することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記受電コイルが受電した電力と前記第３の基準信号を基にＩ信号を生成し、前記受電コイルが受電した電力と前記第３の基準信号を９０°移相した信号を基にＱ信号を生成する直交検波回路をさらに有し、
   前記信号処理部は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号を基に、前記位相差を検出することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記送信回路に接続される送信結合器と、
   前記受信回路に接続される受信結合器とをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
4. 前記受電コイルと前記受信結合器は、前記送電コイルと前記送信結合器に対して、相対的に平行移動することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
5. 前記送信回路は、前記送信結合器の長手方向に対して略中央に接続されることを特徴とする請求項３または４に記載の無線通信システム。
6. 前記第１の基準信号を基に前記第２の基準信号を生成する第１のＰＬＬ回路または第１の分周回路と、
   前記第３の基準信号を基に前記第４の基準信号を生成する第２のＰＬＬ回路または第２の分周回路とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
7. 前記負荷は、モータであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線通信システム。
8. 前記受電コイルに接続される共振回路をさらに有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の無線通信システム。
9. 移相回路が、第１の基準信号または前記第１の基準信号に同期した第２の基準信号に対して、０又はπの移相量の移相を行うことにより、スイッチング制御信号を出力するステップと、
   スイッチ回路が、前記スイッチング制御信号を基に、入力電圧をスイッチングし、前記スイッチングした電圧を送電コイルに印加するステップと、
   受電コイルが、前記送電コイルが送電する電力を電磁界結合により受電するステップと、
   送信回路が、前記第１の基準信号を無線送信するステップと、
   受信回路が、前記送信回路が無線送信する第１の基準信号を第３の基準信号として無線受信するステップと、
   信号処理部が、前記移相量を除き、前記第３の基準信号または前記第３の基準信号に同期した第４の基準信号と、前記受電コイルが受電した電力との位相差を検出し、前記位相差が０になるように、前記第３の基準信号または前記第４の基準信号を移相し、第５の基準信号を出力するステップと、
   整流回路が、前記第５の基準信号を基に、前記受電コイルが受電した電圧をスイッチングにより整流し、前記整流した電圧を負荷に供給するステップと
   を有することを特徴とする無線通信システムの通信方法。

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