JP2010246332A - 非接触型電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触型電力伝送装置の給電部と受電部との位置決めを簡易かつ正確に行う。
【解決手段】給電部３５とこの給電部から非接触の電磁誘導作用により給電される受電部４５とを具備し、給電部と受電部とがケーシング３１内に収納された非接触型電力伝送装置において、給電部がケーシングに形成された凹陥部３１ａ内に収納され、受電部がケーシングの凹陥部を閉じる蓋３２の内側に取り付けられ、ケーシングと蓋との接触部にテーパー面３１ｂ，３２ａが形成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、給電部から受電部に非接触で電力を伝送する装置に関する。

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、駆動部によってリンク機構部を駆動して関節部の動作を補助する関節補助装置であって、駆動部に対して非接触で電力を伝送する非接触型電力伝送装置を備えている。

非接触型電力伝送装置は、給電部の給電ヘッドに給電コイルを有する給電コアを取り付け、受電部の受電ヘッド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部と受電部とを連結することで、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、給電ヘッドと受電ヘッドとに送信部及び受信部をそれぞれ取り付けて、給電部と受電部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）。

このような非接触型電力伝送装置において、給電量が多い場合には、給電部の給電ヘッドに対向する受電ヘッド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。

また、非接触型電力伝送装置は人体に装着するので小さい箱型にまとめる必要がある。従来、給電部と受電部をそれぞれアセンブリ化した後に両者を重ね合せ、ボルト・ナット等の締結具を用いて一体化している。また、別の方法として給電部と受電部の一方をトンネル状の穴を設けた雌型に形成するとともに他方を雄型に形成し、雌型の穴内に雄型を挿入することによって両者を組み合わせるようにしている。

特開２００７−３２５７３２号公報 特開２００７−１４３３１５号公報

非接触型電力伝送装置の給電部と受電部とを結合する場合、上述した給電部と受電部の両アセンブリをボルト・ナット等で固定するときは、給電部と受電部の結合面をＸＹ面とすると、Ｘ方向やＹ方向での位置合せの精度を確保するのが難しくなる。また、ボルト・ナットは複数箇所にわたって設けられるが、全ボルト・ナットについて締め付け力を加減しなければならないので、結合操作が面倒である。また、給電部と受電部を雌雄型に形成する場合は、雌雄型の形状、寸法を高精度に仕上げなければ伝送効率が低下するという問題がある。

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、給電部と受電部を簡易かつ精度良く結合して伝送効率を高めることができる非接触型電力伝送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、給電部（３５）とこの給電部（３５）から非接触の電磁誘導作用により給電される受電部（４５）とを具備し、給電部（３５）と受電部（４５）とがケーシング（３１）内に収納された非接触型電力伝送装置において、上記給電部（３５）と上記受電部（４５）の一方が、ケーシング（３１）に形成された凹陥部（３１ａ）内に収納され、他方が上記ケーシング（３１）の凹陥部（３１ａ）を閉じる蓋（３２）の内側に取り付けられ、上記ケーシング（３１）と上記蓋（３２）との接触部にテーパー面（３１ｂ，３２ａ）が形成された非接触型電力伝送装置を採用する。

請求項２に記載されるように、請求項１に記載の非接触型電力伝送装置において、熱吸収体（３４）が上記ケーシング（３１）の凹陥部（３１ａ）内に収納され、この熱吸収体（３４）上から上記給電部（３５）又は上記受電部（４５）が凹陥部（３１ａ）内に収納されたものとすることができる。

請求項３に記載されるように、請求項２に記載の非接触型電力伝送装置において、上記ケーシング（３１）の凹陥部（３１ａ）内に収納される熱吸収体（３４）と上記給電部（３５）又は上記受電部（４５）との間に伝熱板（３３）が設けられ、上記蓋（３２）には伝熱板（３３）に当接する位置決め突起（４８）が設けられたものとすることができる。

請求項４に記載されるように、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置において、上記蓋（３２）をその延び方向で位置決めする位置決めピン（５３）及びピン孔（４０ａ）が上記蓋（３２）側と上記ケーシング（３１）側とに各々設けられたものとすることができる。

本発明によれば、非接触型電力伝送装置の給電部（３５）と受電部（４５）とを簡易かつ精度良く合致させることができ、電力の伝送効率を高めることができる。また、非接触型電力伝送装置（３０）の内部の気密性、防水性を高めることができる。

本発明に係る非接触型電力伝送装置を備えた関節補助装置の構成を示すブロックである。 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。 図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図であり、蓄電ユニット、制御ユニット、及び非接触型電力伝送装置の設置例を示す概略図である。 非接触型電力伝送装置の外観を表し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図である。 図４（Ａ）中、Ｖ−Ｖ線矢視断面図である。 図５中、給電部と受電部を分離して示す断面図である。 図４（Ａ）中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。

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及び図２に示すように、この非接触型電力伝送装置を用いた関節補助装置は、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非接触型電力伝送装置３０と、駆動ユニット１０、蓄電ユニット２０、非接触型電力伝送装置３０を統括的に制御する制御ユニット６０とを備えている。

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、非接触型電力伝送装置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。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に対し着脱可能である。

ここで、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のリンク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のリンク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のリンク３ａに対して第二のリンク３ｂを前後方向に揺動させる第三のリンク３ｃとを含んでいる。

第一のリンク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、第二のリンク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、第一のリンク３ａと第二のリンク３ｂは、利用者の膝部２ａ近傍で互いに回動可能にピンで連結されている。また、第三のリンク３ｃの一端が、第二のリンク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いる。また、駆動部５は、気密及び液密に保たれた筐体内に収納されており、そのため筐体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のリンク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のリンク３ｃに伝達され、その駆動力が第二のリンク３ｂに伝達される。そして、第二のリンク３ｂが、ＤＣモータの回転方向によって第一のリンク３ａに対して前後方向に揺動し、利用者２の膝部２ａにおける関節の動きを補助することになる。

また、図２に示すように、駆動部５は、非接触型電力伝送装置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３０の具体的な構成及び機能について説明する。

非接触型電力伝送装置３０は、図４乃至図７に示すように、凹陥部３１ａを有したケーシング３１と、ケーシング３１の凹陥部３１ａを閉じる蓋３２とを具備する。

図４乃至図７に示すように、ケーシング３１の内部には、ケーシング３１外の蓄電ユニット２０及び制御ユニット６０に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、蓋３２の内側には、ケーシング３１外の駆動部５（例えば、ＤＣモータ）に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、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の筐体内に収容されている。

給電ヘッド３７は、図示しないが給電ユニットと、情報の送受信を行う通信端子とを備える。この給電ユニット及び通信端子は、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ケーシング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蓋３２の内面に固定されている。

また、ケーシング３１及び蓋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。

給電ユニット及び受電ユニットは、それぞれ環状の給電コイル３７ａ及び受電コイル４７ａと、これら給電コイル３７ａ及び受電コイル４７ａ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３７ｂ及び受電コア４７ｂとを備えている。給電コア３７ｂ及び受電コア４７ｂは、それぞれ環状の凹溝を有し、この凹溝の中央に円柱状の突起を有している。そして、給電コイル３７ａ及び受電コイル４７ａがその突起の周りに形成された凹溝に収納配置される。

そして、図５に示すように、ケーシング３１と蓋３２を組み付けた状態において、給電コイル３７ａ及び受電コイル４７ａ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３７ａに電圧を印加することによって、給電コイル３７ａと受電コイル４７ａとの間に電磁誘導回路が形成されて、受電コイル４７ａ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る。

同様に、ケーシング３１及び蓋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３６上においてそれぞれ給電コア３７ｂ及び受電コア４７ｂ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、外部からケーシング３０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、ケーシング３１の凹陥部３１ａ内において、給電ユニットが設けられた給電基板３６の裏側には、この基板３６と接触するように放熱板３３が設けられる。さらに、ケーシング３１の凹陥部３１ａの底と放熱板３３との間の空間部には、熱吸収体３４が配置される。放熱板３３は、熱吸収体３４の回りに複数個配置された支持突起５７を介し、ケーシング３１の凹陥部３１ａの底に固定されている。支持突起５７と加熱板３３及びケーシング３１との連結はネジ、接着剤等の適宜の固定手段により行われる。

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を用いてもよい。

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する。

この実施の形態において、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、ケーシング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。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、蓋３２の中央部は矩形状にくりぬかれ、そのくりぬかれた穴を塞ぐように矩形のアルミニウム板で形成された放熱板５２が蓋３２に取り付けられる。そして、この矩形のアルミニウム板から形成された放熱板５２の内面に受電ヘッド４７が取り付けられる。

また、放熱板５２の外面を空間部５４を介して覆う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により蓋３２に取り付けられている。

これら受電ヘッド４７、放熱板５２及び通気用カバー５５は固定具５６により蓋３２と一体化され、この一体化されたアセンブリが樹脂ネジ等の固定具５９（図４（Ａ）参照）によってケーシング３１に固定され、同時に受電部４５が給電部３５側に押し付けられる。

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、空間部５４を介して放熱板５２に対峙している。また、多数の通気孔５５ａは、利用者２の指が入らない程度の径に設定されている。

この実施の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。受電部４５の受電ヘッド４７から発生する熱は、電力の伝送効率を悪化させる要因ともなるため、放熱板５２に伝達されて大気中に放熱される。

上記ケーシング３１と蓋３２は、図４乃至図７に示すような結合手段によって結合され、一体化される。

すなわち、給電部３５が収納されたケーシング３１と受電部４５が取り付けられた蓋３２との接触部には、各々同じ傾斜角度のテーパー面３１ｂ，３２ａが形成され、このテーパー面３１ｂ，３２ａ同士の摺接によって、ケーシング３１と蓋３２とが密着し、ケーシング３１内が密閉され、給電部３５、受電部４５等が外界から隔離される。

テーパー面３１ｂ，３２ａの傾斜角度α、β（図６（Ａ）（Ｂ）参照）は、共に４５°が望ましいが、蓋３２をケーシング３１側により強く押し付けるには、このケーシング３１の凹陥部３１ａ内へと落ち込むテーパー面３１ｂの傾斜角度αを４５°よりも小さくし、テーパー面３２ａの傾斜角度を４５°よりも大きくしてもよい。また、あまり強く押し付ける必要がない場合や、あまり強く押し付けてはならない場合は、テーパー面３１ｂの傾斜角度αを４５°よりも大きくし、テーパー面３２ａの傾斜角度を４５°よりも小さくしてもよい。一般的には、傾斜角度αは４５°プラス・マイナス５°程度、傾斜角度βは４５°マイナス・プラス５°程度であるのが望ましい。

また、テーパー面３１ｂ，３２ａは、図４に示すように、ケーシング３１と蓋３２との接触部の全周に設けられる。しかし、例えば図４に示す二対の対向辺のうち必要に応じて一対の対向辺にのみ設けることも可能である。テーパー面３１ｂ，３２ａ同士が接触することにより、ケーシング３１と蓋３２との交叉箇所には角が生ずるが、必要に応じてこの角に面取り部が形成される。

図５及び図６に示すように、上記ネジである固定具５６が蓋３２をケーシング３１側に貫通した部分には位置決め突起４８が螺着される。この位置決め突起４８の先端がケーシング３１の凹陥部３１ａ内に収納された伝熱板３３にスペーサ３８を介して接触する。スペーサ３８は伝熱板３３に接着剤等により固着される。このように蓋３２と伝熱板３３との間に位置決め突起４８とスペーサ３８が介在することによって、蓋３２と伝熱板３３との間隔が正確に規制される。スペーサ３８を省略し、位置決め突起４８を長く形成してその先端を伝熱板３３に直に当てるようにしてもよい。

図５及び図６に示すように、伝熱板３３とケーシング３１の凹陥部３１ａ内の底との間には熱吸収体３４が介在する。この熱吸収体３４は熱吸収剤であるＰＣＭ等を袋で密封してなる扁平な包装体である。

また、図４及び図７に示すように、蓋３２をその延び方向すなわち図４（Ａ）の紙面の延び方向で位置決めする位置決めピン５３及びピン孔４０ａが、蓋３２とケーシング３１側とに各々設けられる。具体的には、位置決めピン５３が蓋３２側の伝熱板５２からケーシング３１の凹陥部３１ａ内の伝熱板３３へと突出し、凹陥部３１ａ内の伝熱板３３に位置決めピン５３の先端が入るピン孔４０ａを有した凹部４０が固定される。この位置決めピン５３と凹部４０との嵌合により、蓋３２がケーシング３１に対し蓋３２の延び方向において正確に位置決めされる。

なお、この位置決めピン５３及びピン孔４０ａは場合によっては省略可能である。

上述したように、蓋３２がケーシング３１の凹陥部３１ａにあてがわれつつ、位置決めピン５３が凹部４０に挿入され、ネジである固定具５９が締め付けられると、テーパー面３１ｂ，３２ａ同士の摺接によって蓋３２がケーシング３１の凹陥部３１ａ側へと強く押し込まれる。スペーサ３８を支持する伝熱板３３は熱吸収体３４の回りにおいてケーシング３１の凹陥部３１ａの底に支持突起５７を介して複数箇所で固定されていることから、位置決め突起４８の先端がスペーサ３８に当たると、伝熱板３３が給電ヘッド３７を受電ヘッド４７に適度な力で押し付ける。

これにより、給電ヘッド３７と受電ヘッド４７とが密着することとなり、給電効率が向上する。また、蓋３２とケーシング３１との接触部のテーパー面３１ｂ，３２ａ同士が密着することとなり、ケーシング３１内の気密性が向上する。

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の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、関節補助装置では、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１０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。

なお、本発明は、上記実施の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、上記実施の形態では、給電部をケーシング内に収納し、受電部を蓋に取り付けるようにしたが、受電部をケーシング内に収納し、給電部を蓋に取り付けるようにしてもよい。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。

３０…非接触型電力伝送装置
３１…ケーシング
３１ａ凹陥部
３１ｂ，３２ａ…テーパー面
３２…蓋
３３…伝熱板
３４…熱吸収体
３５…給電部
４０ａ…ピン孔
４５…受電部
４８…位置決め突起
５３…位置決めピン

Claims (4)

1. 給電部とこの給電部から非接触の電磁誘導作用により給電される受電部とを具備し、給電部と受電部とがケーシング内に収納された非接触型電力伝送装置において、上記給電部と上記受電部の一方が、ケーシングに形成された凹陥部内に収納され、他方が上記ケーシングの凹陥部を閉じる蓋の内側に取り付けられ、上記ケーシングと上記蓋との接触部にテーパー面が形成されたことを特徴とする非接触型電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の非接触型電力伝送装置において、熱吸収体が上記ケーシングの凹陥部内に収納され、この熱吸収体上から上記給電部又は上記受電部が凹陥部内に収納されたことを特徴とする非接触型電力伝送装置。
3. 請求項２に記載の非接触型電力伝送装置において、上記ケーシングの凹陥部内に収納される熱吸収体と上記給電部又は上記受電部との間に伝熱板が設けられ、上記蓋には伝熱板に当接する位置決め突起が設けられたことを特徴とする非接触型電力伝送装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置において、上記蓋をその延び方向で位置決めする位置決めピン及びピン孔が上記蓋側と上記ケーシング側とに各々設けられたことを特徴とする非接触型電力伝送装置。

Images