JP2010245171A - 受電器、非接触型電力伝送装置、及び関節補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱部材の小型、軽量化を図り、防水性を有する装置の受電部の放熱を良好に行うことのできる受電器を提供する。
【解決手段】本発明の受電器４５は、受電ヘッド４７に、非接触の電磁誘導作用により誘導起電力を生じる受電コイル４９を有する受電コア５０が取り付けられてなる。受電ヘッド４７に一方の面が密着して設けられた放熱板５２と、放熱板５２の他方の面に空間部５４を介して取り付けられ、かつ多数の通気孔５５ａが形成された通気用カバー５５と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、給電器から給電された電力が非接触で伝送される受電器、非接触型電力伝送装置、及び関節補助装置に関する。

近年、筋力の衰えた老人や傷病者の、歩行動作、階段の昇降動作、着座姿勢からの起立動作、起立姿勢からの着座動作等の各種動作を補助することで、筋力の低下を補助するための歩行補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような歩行補助装置は、利用者の関節部にリンク機構部を設け、駆動部によって当該リンク機構部を駆動して前記関節部の動作を補助する関節補助装置であって、前記駆動部に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置を備えている。

上記非接触電力伝送装置は、給電器の給電ヘッド基板に給電コイルを有する給電コアを取り付け、受電器の受電ヘッド基板に受電コイルを有する受電コアを取り付け、給電コイル及び給電コアと受電コイル及び受電コアとが同軸上で対向するように給電器と受電器とを結合することで、電磁誘導作用により非接触で給電することができるようにし、また、給電ヘッド基板と受電ヘッド基板とに送信部及び受信部をそれぞれ取り付けて、給電器と受電器とを結合して上述したように給電可能にすると同時に、各種データのやり取りも非接触で行うことができるようにしている（例えば、特許文献２参照）。

このような非接触電力伝送装置において、給電量が多い場合には、給電器の給電ヘッド基板に対向する受電ヘッド基板が発熱することがある。通常では、その発熱部に対して吸気ファンや排気ファンを用いて送風するか、あるいは発熱部に金属フレームや放熱用のヒートシンク等の熱伝導用部材を接触させて熱伝導により放熱を行っている。

特開２００７−３２５７３２号公報 特開２００７−１４３３１５号公報

ところで、上記のような非接触電力伝送装置では、発熱部である受電ヘッド基板に対して吸気ファンや排気ファンを用いて送風することにより、放熱することができるものの、発熱部に対して防水対策が必要な場合や、開口部を形成することができない場合は、上記のようなファンを使用することができない。

また、熱伝導用部材を用いる場合は、その表面積を増加する必要があり、装置が大型化するとともに、重量が重くなることから、対応しにくいものとなっている。

ここで、対象となる装置は、リハビリテーション等で使用する歩行アシストシステムであり、これは医療機関で使用されるため、防水処理が必要である。また、利用者に装着して動作させるため、低温火傷や転倒等を考慮する必要がある。そのため、冷却ファンやヒートシンク等は、使用することができない。また、冷却水をポンプにより循環させる方法もあるが、この方法では、電力も使用しなければならず、メンテナンスも伴い、対応しにくいものとなっている。

なお、冷却ファンやヒートシンク等は、利用者の皮膚面より、離れる側に配置するため、利用者に直接、接触することはないものの、手が触れる場合があり、この対策を講じる必要がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、放熱部材の小型、軽量化を図り、防水性を有する装置の受電部の放熱を良好に行うことのできる受電器、非接触型電力伝送装置、及び関節補助装置を提供しようというものである。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用する。

すなわち、請求項１に係る発明は、受電ヘッド（４７）に、非接触の電磁誘導作用により誘導起電力を生じる受電コイル（４９）を有する受電コア（５０）が取り付けられてなる受電器（４５）において、受電ヘッド（４７）に一方の面が密着して設けられた放熱板（５２）と、放熱板（５２）の他方の面に空間部（５４）を介して取り付けられ、かつ多数の通気孔（５５ａ）が形成された通気用カバー（５５）と、を備える受電器（４５）を採用する。

請求項２に係る発明は、給電ヘッド（３７）に、非接触の電磁誘導作用により給電する給電コイル（３９）を有する給電コア（４０）が取り付けられてなる給電器（３５）と、受電ヘッド（４７）に、非接触の電磁誘導作用により誘導起電力を生じる受電コイル（４９）を有する受電コア（５０）が取り付けられてなる受電器（４５）と、を具備した非接触型電力伝送装置（３０）において、受電ヘッド（４７）に一方の面が密着して設けられた放熱板（５２）と、放熱板（５２）の他方の面に空間部（５４）を介して取り付けられ、かつ多数の通気孔（５５ａ）が形成された通気用カバー（５５）と、を備えることを特徴とする非接触型電力伝送装置（３０）を採用する。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の受電器（４５）又は非接触型電力伝送装置（３０）において、前記通気用カバー（５５）は、周縁部及び中央部にそれぞれ周壁部（５７）及び突出部（５８）を形成し、これら周壁部（５７）及び突出部（５８）を放熱板（５２）に接触させたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載の受電器（４５）又は非接触型電力伝送装置（３０）において、放熱板（５２）は、アルミニウム板から形成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、利用者の関節部に取り付けられるリンク機構部（３）と、リンク機構部（３）を駆動して前記関節部の動作を補助する駆動部（５）と、駆動部（５）に非接触で電力を伝送する請求項２乃至４のいずれか一項に記載の非接触型電力伝送装置（３０）と、を備えることを特徴とする関節補助装置（Ｓ）を採用する。

本発明によれば、受電ヘッド基板に放熱板の一方の面を密着し、この放熱板の他方の面に対して一定間隔をおいて多数の通気孔が形成された通気用カバーを取り付けたことにより、放熱部材の小型、軽量化を図ることができ、防水性を有する装置の受電部の放熱を良好に行うことができる。

本発明に係る非接触型電力伝送装置の一実施形態を備えた関節補助装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態の非接触型電力伝送装置を備えた関節補助装置が利用者に装着された状態を示す説明図である。 一実施形態における蓄電ユニット、制御ユニット、及び電力供給ユニットの設置例を示す概略図である。 図３の電力供給ユニットにおいて給電ユニットと受電ユニットを分離した状態を示す断面図である。 図３の電力供給ユニットにおいて給電ユニットと受電ユニットを組み付けた状態を示す断面図である。 図５の通気用カバーを示す正面図である。 図５の通気用カバーを示す背面図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明に係る非接触型電力伝送装置の一実施形態を備えた関節補助装置の構成を示すブロック図、図２は一実施形態の非接触型電力伝送装置を備えた関節補助装置が利用者に装着された状態を示す説明図、図３は一実施形態における蓄電ユニット、制御ユニット、及び電力供給ユニットの設置例を示す概略図、図４は図３の電力供給ユニットにおいて給電ユニットと受電ユニットを分離した状態を示す断面図、図５は図３の電力供給ユニットにおいて給電ユニットと受電ユニットを組み付けた状態を示す断面図である。

なお、以下に説明する実施形態は、人体の膝部における関節の動きを補助する関節補助装置Ｓとして本発明を適用した場合の実施形態である。また、以下の説明において前方及び後方とは、利用者にとって前方及び後方である場合のことである。

−関節補助装置の構成及び機能の概要−
本実施形態の関節補助装置Ｓは、図１及び図２に示すように、利用者２の両足に取り付けられる駆動ユニット１０と、蓄電池を備える蓄電ユニット２０と、電磁誘導作用により非接触で駆動ユニット１０に対して蓄電ユニット２０からの電力を伝送し、かつ駆動ユニット１０を駆動制御するための信号を伝送する通信機能付きの電力伝送ユニット３０と、各ユニット１０、２０、３０を統括的に制御する制御ユニット６０と、を備えている。ここで、上記電力伝送ユニット３０は、本発明の非接触型電力伝送装置を構成する。

図２に示すように、駆動ユニット１０は、利用者２の両足の大腿部に面接合テープやバンド等の固定具（図示せず）を用いてそれぞれ取り付けられる。

蓄電ユニット２０、電力伝送ユニット３０、及び制御ユニット６０は、図示しないがそれぞれがケーブル等を介して電気的に接続されているとともに、図２及び図３に示すように、それぞれ筐体内に収容されて利用者２の腰部に装着されるベルト７０に取り付けられる。なお、蓄電ユニット２０、及び制御ユニット６０を収容する各筐体は、ベルト７０に着脱可能に装着されている。

まず、駆動ユニット１０の具体的な構成及び機能について説明する。

駆動ユニット１０は、図１及び図２に示すように、利用者２の膝部２ａの関節部分に取り付けられるリンク機構部３と、このリンク機構部３を駆動するための駆動部５を備えている。

リンク機構部３は、図２に示すように、例えば、利用者の大腿部に巻き付けられる上部脚当て６の側面に取り付けられる第一リンク３ａと、利用者の下腿部に巻きつけられる下部脚当て７の側面に取り付けられる第二リンク３ｂと、モータ等で構成される駆動部５から動力を得て前記第一リンク３ａに対して第二リンク３ｂを前後方向に揺動させる第三リンク３ｃと、を含んで構成される。

第一リンク３ａは、利用者の大腿部から膝部２ａに延びるように取り付けられ、第二リンク３ｂは利用者の膝部２ａから足の先端（地面）方向に延びるように取り付けられており、第一リンク３ａと第二リンク３ｂは、利用者の膝部２ａ近傍で互いに回動可能に連結されている。また、第三リンク３ｃの一端が、前記第二リンク３ｂの先端部に連結されている。

上部脚当て６及び下部脚当て７は、図示しないが、それぞれが一対の脚当て部材を含んで構成されており、利用者２の大腿部及び下腿部の周囲を覆うように巻き付けられ、上述した面接合テープやバンド等の固定具によって着脱可能に取り付けられる。

また、上部脚当て６及び下部脚当て７は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等を成形して形成されており、利用者の大腿部と接する部分には、伸縮自在のスポンジ等の緩衝部材が取り付けられている。

駆動部５は、図示しないが、回転機構を有するＤＣモータと、このＤＣモータを所定の回転方向及び速度で駆動制御する駆動制御部と、を含んで構成されている。また、駆動部５は、気密及び液密に保たれた筐体５ａの内部に収納されており、そのため筐体５ａは、内部への水の浸入が防止されている。

上記ＤＣモータは、回転軸が所定の歯車群を含んで構成されるギアボックスを介して第三リンク３ｃの他端側と接続されている。そして、ＤＣモータの回転軸が回転することによって得られる回転駆動力が上記歯車群を介して直線運動に変換されて第三リンク３ｃに伝達され、その駆動力が第二リンク３ｂに伝達される。そして、第二リンク３ｂが、ＤＣモータの回転方向によって第一リンク３ａに対して前後方向に揺動され、利用者２の膝部２ａにおける関節の動きを補助するようになっている。

また、図２に示すように、駆動部５は、電力伝送ユニット３０とケーブル１１を介して電気的に接続され、蓄電ユニット２０からの電力が伝送されるともに、制御ユニット６０から送信される制御信号に応じて駆動制御部がＤＣモータを駆動制御し、リンク機構部３を作動させる。

次に、非接触型電力伝送装置としての電力伝送ユニット３０の具体的な構成及び機能について説明する。

電力伝送ユニット３０は、図４に示すように、給電ハウジング３１と受電ハウジング３２を備え、これらは嵌合手段によって着脱可能に組み付けられる。本実施形態では、図２に示すように、例えば、給電ハウジング３１がベルト７０に固定して取り付けられ、受電ハウジング３２が給電ハウジング３１に対して分離又は組み付け可能に構成されている。

図４に示すように、給電ハウジング３１の内部には、蓄電ユニット２０及び制御ユニット６０と図示しないケーブル等の導線を介して電気的に接続される給電部３５と、この給電部３５から発生する熱を伝達する放熱板３３と、この放熱板３３の熱を吸収する熱吸収体３４が収容されている。一方、受電ハウジング３２の内部には、駆動部５（例えば、ＤＣモータ）と図示しないケーブルを介して接続される受電部４５が収容されている。

給電部３５は、受電部４５に電力を伝送するための給電回路を含む給電基板３６と給電ヘッド３７を備えている。一方、受電部４５は、給電部３５から電力を受電するための受電ヘッド４７を備えている。なお、本実施形態では、受電ヘッド４７により受電した電力を駆動部５に供給するための受電回路を含む受電基板（図示せず）が駆動部５とともに筐体５ａの内部に収容されている。

給電ヘッド３７は、給電ユニット３８と、情報の送受信を行う図示しない通信端子とを備え、この給電ユニット３８及び通信端子は、例えば、ガラスエポキシ製の基板（図示せず）上に位置決めされて給電ハウジング３１の内部に固定されている。

一方、受電ヘッド４７は、受電ユニット４８と、情報の送受信を行う図示しない通信端子とを備え、この受電ユニット４８及び通信端子は、例えばガラスエポキシ製の基板上に位置決めされて受電ハウジング３２の内部に固定されている。

また、給電ハウジング３１及び受電ハウジング３２の内部に設けられている通信端子は、例えばＩＲ−フォトトランジスタやＩＲ−ＬＥＤを用い、所定の波長による通信（赤外線通信等）によって、所定の情報を送受信可能に構成されている。

給電ユニット３８及び受電ユニット４８は、それぞれ環状の給電コイル３９及び受電コイル４９と、これら給電コイル３９及び受電コイル４９が取り付けられるフェライト等の磁性体からなる給電コア４０及び受電コア５０とを備えている。給電コア４０及び受電コア５０は、それぞれ環状の凹部を有し、この凹部の中央には円柱状の突起を有している。そして、給電コイル３９及び受電コイル４９がその突起の周りに形成された凹部に収納配置される。

そして、図５に示すように、給電ハウジング３１と受電ハウジング３２を組み付けた状態において、給電コイル３９及び受電コイル４９は、互いに近接し、かつ同軸上で対向するように配置される。

そして、給電時には、給電ヘッド３７の給電コイル３９に電圧を印加することによって、給電コイル３９と受電コイル４９との間に電磁誘導回路が形成されて、受電コイル４９が電磁誘導作用により誘導起電力を発生し、受電部４５が給電部３５から非接触で電力を受電することが可能になっている。

同様に、給電ハウジング３１及び受電ハウジング３２の双方の通信端子も、互いに近接し、かつ同軸上で平行に対向するように配置され、双方の通信端子との間で所定の情報が通信可能になっている。

なお、給電部３５、受電部４５、通信端子、及び給電基板３６は、基板上においてそれぞれ給電コア４０及び受電コア５０の高さを基準として樹脂等で覆われ（モールドされ）、給電部３５、受電部４５は、それぞれ互いに対向する面にカバーシート４１，５１を配置して一体化され板状に形成されており、接点等が外部に露出しないようになっている。これにより、外部からハウジング内への水の浸入を容易に防止することができ、腐食又は錆等による接点不良を防止することが可能となる。

また、給電ハウジング３１の内部において、給電ユニット３８が設けられた基板の裏側には、その基板と接触するように放熱板３３が給電ハウジング３１の内部に固定され、さらに給電ハウジング３１と放熱板３３とによって囲まれた空間部には、熱吸収体３４が配置されている。

放熱板３３は、例えばアルミニウム板が好適に用いられるが、その他、熱を伝達する機能を有する公知の金属材料が用いられても構わない。

熱吸収体３４は、例えば、一般的にＰＣＭと称される相変化材料を用いる。この相変化材料は、規定温度で固相（固体）と液相（液体）に変化する性質を有している。

本実施形態において、熱吸収体としてＰＣＭを用いる場合には、人体に接触可能な上限温度を４０℃と仮定し、給電ハウジング３１がベルト７０に取り付けられていることを考慮すると、規定温度が４８〜５０℃程度のＰＣＭを用いることが可能である。なお、規定温度が４８℃のＰＣＭでは、４８℃以下では固体、それ以上では液体（ゲル状）になる。

一方、受電ハウジング３２の受電ヘッド４７には、矩形のアルミニウム板から形成された放熱板５２の一方の面が密着して配置されている。この放熱板５２は、矩形枠状に形成された保持枠５３により保持されている。また、放熱板５２の他方の面には、空間部５４を介してＡＢＳ樹脂製の通気用カバー５５が４本の樹脂ネジ等の固定具５６により受電ハウジング３２に取り付けられている。したがって、受電ヘッド４７が放熱板５２に予め接着されていることで、これら受電ヘッド４７、放熱板５２、保持枠５３及び通気用カバー５５が固定具５６により一体化されている。これらは、一体となって樹脂ネジ等の固定具５９（図６に示す）を用いて給電部３５に固定される。

図６は図５の通気用カバーを示す正面図、図７は図５の通気用カバーを示す背面図である。

図６に示すように、通気用カバー５５には、多数の通気孔５５ａが縦横に配列するように形成されている。これらの通気孔５５ａは、それぞれ放熱板５２と通気用カバー５５との間に形成された空間部５４と連通している。また、多数の通気孔５５ａは、利用者２の指が挿入されない程度の径に設定されている。つまり、多数の通気孔５５ａの径は、利用者２の指より小径に形成されており、具体的には９ｍｍ以下に設定されている。そして、通気孔５５ａと通気孔５５ａとの間のカバー部分の距離は、１ｍｍ以上に設定されている。因みに、この距離未満では、通気用カバー５５がＡＢＳ樹脂製であることから、破損し易いという問題があるためである。

図７に示すように、通気用カバー５５の背面（内面）には、周縁部及び中央部にそれぞれ周壁部５７及び突出部５８が形成され、これら周壁部５７及び突出部５８が放熱板５２の他方の面に接触するように形成されている。これら周壁部５７及び突出部５８が通気用カバー５５に形成されていることにより、放熱板５２との間に上記空間部５４が形成されることとなる。

ここで、本実施形態のようにコイルを用いて電力を伝送する方式の場合には、電力を伝送することにより熱が発生する。その熱は、電力の伝送効率を悪化させる要因ともなるため、放熱するための放熱手段を備えることが好ましい。

そこで本実施形態では、受電ヘッド４７に放熱板５２の一方の面が密着して設け、この放熱板５２の他方の面に空間部５４を介して多数の通気孔５５ａが形成された通気用カバー５５を取り付けるようにしたので、受電部４０の受電ヘッド４７から発生する熱は、放熱板５２に伝達され、この放熱板５２が通気用カバー５５の多数の通気孔５５ａから流入する空気により、受電部４０の放熱を高効率で行うことができる。

次に、制御ユニットの具体的な構成及び機能について説明する。

制御ユニット６０は、主として演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用ＲＡＭ、及び各種データやプログラムを記憶するＲＯＭを備えて構成されている。上記ＣＰＵが、例えばＲＯＭに記憶された各種プログラムを実行することにより、各部を制御するとともに関節補助装置Ｓ全体を統括制御する。具体的には、制御ユニット６０は、図１に示すように、例えば、ＤＣモータの回転方向や速度等、そのＤＣモータを駆動制御するための駆動信号を給電部３５に出力するようになっている。また、制御ユニット６０は、給電する電力を制御するための電力制御信号を給電部３５に出力するようになっている。

このように構成された関節補助装置Ｓは、制御ユニット６０によって出力される電力制御信号に基づいて電磁誘導作用により非接触で駆動部５に蓄電池の電力が供給されるとともに、駆動信号に基づいてＤＣモータを所定の回転数で駆動させリンク機構部３を作動させて利用者２の膝部の動きを補助し、利用者２の歩行が補助されることとなる。

すなわち、本実施形態の関節補助装置Ｓでは、非接触で蓄電ユニット２０の電力を駆動部５に伝送する一方、制御ユニット６０から出力される駆動信号を駆動部５に伝送し、リンク機構部３を作動させて利用者２の膝部の動きを補助し、利用者２の歩行を補助することが可能となる。

このように本実施形態によれば、受電ヘッド４７に放熱板５２の一方の面が密着して設け、この放熱板５２の他方の面に空間部５４を介して多数の通気孔５５ａが形成された通気用カバー５５を取り付けるようにしたので、放熱部材の小型、軽量化が図られ、防水性を有する装置の受電部の放熱を良好に行うことのできる。

また、本実施形態によれば、通気用カバー５５は、周縁部及び中央部にそれぞれ周壁部５７及び突出部５８を形成し、これら周壁部５７及び突出部５８を放熱板５２に接触させたことにより、通気用カバー５５に多数の通気孔５５ａが形成されていても、通気用カバー５５の所定の機械的強度に維持することができる。

さらに、本実施形態によれば、通気用カバー５５の通気孔５５ａは、手の指の外径より小径に形成されていることにより、利用者２が放熱板５２に直接触れることがなくなり、信頼性を高めることができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記各実施形態では、受電器のケーシングが雄型であり給電器のケーシングが雌型であるが、各ケーシングは互いに逆の形状をしていても構わない。また、この非接触型電力伝送装置を歩行補助装置に設けるものとして説明したが、歩行補助装置以外の他の装置に設けることも可能である。

２…利用者
３…リンク機構部
５…駆動部
１０…駆動ユニット
２０…蓄電ユニット
３０…電力伝送ユニット
３１…給電ハウジング
３２…受電ハウジング
３５…給電部
３７…給電ヘッド
３９…給電コイル
４０…給電コア
４５…受電部
４７…受電ヘッド
４９…受電コイル
５０…受電コア
５２…放熱板
５４…空間部
５５…通気用カバー
５５ａ…通気孔
５７…周壁部
５８…突出部

Claims (5)

1. 受電ヘッドに、非接触の電磁誘導作用により誘導起電力を生じる受電コイルを有する受電コアが取り付けられてなる受電器において、
   前記受電ヘッドに一方の面が密着して設けられた放熱板と、
   前記放熱板の他方の面に空間部を介して取り付けられ、かつ多数の通気孔が形成された通気用カバーと、
   を備えることを特徴とする受電器。
2. 給電ヘッドに、非接触の電磁誘導作用により給電する給電コイルを有する給電コアが取り付けられてなる給電器と、
   受電ヘッドに、非接触の電磁誘導作用により誘導起電力を生じる受電コイルを有する受電コアが取り付けられてなる受電器と、を具備した非接触型電力伝送装置において、
   前記受電ヘッドに一方の面が密着して設けられた放熱板と、
   前記放熱板の他方の面に空間部を介して取り付けられ、かつ多数の通気孔が形成された通気用カバーと、
   を備えることを特徴とする非接触型電力伝送装置。
3. 請求項１又は２に記載の受電器又は非接触型電力伝送装置において、
   前記通気用カバーは、周縁部及び中央部にそれぞれ周壁部及び突出部を形成し、これら周壁部及び突出部を前記放熱板に接触させたことを特徴とする受電器又は非接触型電力伝送装置。
4. 請求項１又は２に記載の受電器又は非接触型電力伝送装置において、
   前記放熱板は、アルミニウム板から形成されていることを特徴とする受電器又は非接触型電力伝送装置。
5. 利用者の関節部に取り付けられるリンク機構部と、
   前記リンク機構部を駆動して前記関節部の動作を補助する駆動部と、
   前記駆動部に非接触で電力を伝送する請求項２乃至４のいずれか一項に記載の非接触型電力伝送装置と、
   を備えることを特徴とする関節補助装置。

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