JP2014175586A - Magnetic field resonance coil device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界共鳴コイル装置に関し、特に直動ロボットに用いられる磁界共鳴コイル装置に関する。 The present invention relates to a magnetic resonance coil apparatus, and more particularly to a magnetic resonance coil apparatus used for a linear motion robot.
従来、工場など幅広い設備において、直動ロボットが利用されている。これら一般的な直動ロボットは、直線状または曲線状のレール部に沿って移動する可動部を備えている。可動部は、モータを有しており、モータの駆動力によってレール部に沿って移動する。このような従来の直動ロボットは、電源からモータへ電力が供給される。このモータへ供給される電力は、ケーブルベア(登録商標)に収容された電源ケーブルを経由して供給される。そのため、電源と可動部との間には、電源ケーブルを収容したケーブルベアが必要となる。ケーブルベアは、レール部に沿って移動する可動部に追従することが求められる。そのため、ケーブルベアは、可動部の移動領域に応じて設定する必要があり、移動領域の延長にともなって全長が大きくなる。また、ケーブルベアは、レール部に沿って往復移動する可動部の移動に対応するために、少なくとも一部がU字形状に折り返された状態で用いられる。 Conventionally, linear motion robots are used in a wide range of facilities such as factories. These general linear motion robots include a movable part that moves along a linear or curved rail part. The movable part has a motor and moves along the rail part by the driving force of the motor. In such a conventional linear motion robot, electric power is supplied from a power source to the motor. The electric power supplied to the motor is supplied via a power cable accommodated in a cable bear (registered trademark). Therefore, a cable bear that accommodates a power cable is required between the power source and the movable part. The cable bear is required to follow the movable part that moves along the rail part. Therefore, the cable bear needs to be set according to the moving area of the movable part, and the total length increases with the extension of the moving area. Further, the cable bear is used in a state where at least a part thereof is folded back in a U-shape in order to cope with the movement of the movable part that reciprocates along the rail part.
このような従来の直動ロボットは、ケーブルベアが必須の構成となる。しかしながら、ケーブルベアを備える直動ロボットの場合、可動部は必然的にケーブルベアを引き連れながら移動する。そのため、可動部を駆動するモータは、可動部の重量、および可動部の運搬される部材の重量だけでなく、ケーブルベアの重量をも考慮した出力が要求される。その結果、モータの出力の増大にともなうモータの大型化を招くという問題がある。また、可動部とともにケーブルベアが移動するため、ケーブルベアと周囲の部材とは接触を繰り返す。ケーブルベアと周囲の部材との接触は、騒音を招く原因となるだけでなく、摩耗にともなう粉塵の発生を招く。特に、電子機器や半導体などの精密機器の製造設備では、粉塵は製品の品質低下を招く。従来の直動ロボットは、構造上、摩耗が避けられないケーブルベアを備えることから、これらの製造設備へより好適な適用をするためには改善が求められている。 In such a conventional linear motion robot, a cable bear is an essential configuration. However, in the case of a linear motion robot provided with a cable bear, the movable part inevitably moves while pulling the cable bear. Therefore, the motor for driving the movable part is required to output not only the weight of the movable part and the weight of the member transported by the movable part but also the weight of the cable bear. As a result, there is a problem that the size of the motor increases as the output of the motor increases. Further, since the cable bear moves together with the movable part, the cable bear and the surrounding members are repeatedly contacted. The contact between the cable track and the surrounding members not only causes noise, but also generates dust accompanying wear. In particular, in equipment for manufacturing precision equipment such as electronic equipment and semiconductors, dust causes a reduction in product quality. Since conventional linear motion robots are provided with cable bearings whose wear is unavoidable due to their structure, improvements are required in order to more suitably apply to these manufacturing facilities.
そこで、本発明の目的は、簡単な構造でケーブルベアを用いることなく、送電側および受電側のコイル部を用いた無線給電において、電力の供給を達成し、共振周波数の調整が容易な直動ロボットの磁界共鳴コイル装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to achieve a power supply in a wireless power feeding using a coil portion on a power transmission side and a power reception side without using a cable bear with a simple structure, and a linear motion that can easily adjust a resonance frequency. An object of the present invention is to provide a magnetic resonance coil apparatus for a robot.
請求項1記載の発明では、電力は、一対のコイル間の磁界共鳴によって非接触で供給される。そのため、例えば固定側から可動側へ電力を供給するための電源ケーブルおよびこの電源ケーブルを収容するケーブルベアは不要となる。また、一対のコイルの間は、非接触で電力が供給されるため、部材間の接触にともなう騒音および摩耗、ならびに摩耗にともなう粉塵の発生は大幅に減少する。さらに、非接触で電力の供給を行なうため、例えば可動側はケーブルベアと一体に移動する必要がなく、移動に必要な駆動力は減少する。これにより、電力の制御に必要な回路や駆動力発生源および駆動力伝達機構などの機械的な構成も小型化される。したがって、ケーブルベアを廃止できるだけでなく、機器を小型化することができるとともに、騒音や粉塵の発生の低減にともなって適用可能な設備を拡大することができる。 According to the first aspect of the present invention, electric power is supplied in a non-contact manner by magnetic field resonance between a pair of coils. Therefore, for example, a power cable for supplying power from the fixed side to the movable side and a cable bear that accommodates the power cable become unnecessary. Further, since electric power is supplied between the pair of coils in a non-contact manner, noise and wear caused by contact between members and generation of dust accompanying wear are greatly reduced. Furthermore, since electric power is supplied in a non-contact manner, for example, the movable side does not need to move together with the cable bear, and the driving force required for movement decreases. As a result, mechanical structures such as circuits necessary for power control, a driving force generation source, and a driving force transmission mechanism are reduced in size. Therefore, not only can the cable bear be abolished, but the equipment can be reduced in size, and the equipment that can be applied can be expanded as the generation of noise and dust is reduced.
ところで、磁界共鳴を利用して非接触で電力を供給する場合、高周波の周波数は磁界共鳴に適した例えば数MHzから十数MHzに調整する必要がある。この場合、送電側および受電側のコイル部は、周波数を調整するためのコンデンサに接続される。直動ロボットのように比較的大きな電力を扱う場合、このコンデンサには電圧や電流に対する高い耐久性が要求される。そのため、周波数の調整以前に、コンデンサの大型化を招き、部品の実装工程にともなう製造工程の複雑化を招く。仮に、コイル部を設ける基板の層間にコンデンサを設けたとしても、コイル部とコンデンサの電極との間の交流結合によって、共振Q値の低下にともなうコイル部の性能低下を招くという問題がある。 By the way, when supplying electric power in a non-contact manner using magnetic field resonance, it is necessary to adjust the frequency of the high frequency from, for example, several MHz to several tens of MHz suitable for magnetic field resonance. In this case, the coil portions on the power transmission side and the power reception side are connected to a capacitor for adjusting the frequency. When a relatively large electric power is handled like a linear motion robot, this capacitor is required to have high durability against voltage and current. Therefore, before the frequency is adjusted, the capacitor is increased in size, and the manufacturing process associated with the component mounting process is complicated. Even if a capacitor is provided between the layers of the substrate on which the coil portion is provided, there is a problem in that the AC coupling between the coil portion and the capacitor electrode causes a reduction in the performance of the coil portion as the resonance Q value decreases.
そこで、請求項1記載の発明では、基板を挟んでコイル部と反対の裏面側に平板状の電極部材を設けている。これにより、コイル部と電極部材との間に基板が挟み込まれ、コンデンサが形成される。また、この電極部材と重なり合うコイル部によってリアクタンスが形成される。これら形成されたコンデンサおよびリアクタンスによって共振が生じる。その結果、例えば電極部材の大きさ、形状、配置あるいは基板の厚さなど、電極部材とコイル部とが重なり合う条件を変更することにより、共振周波数が調整される。したがって、部品の大型化、工程の複雑化、および共振Q値の低下を招くことなく、共振周波数の調整を容易にすることができる。 Therefore, in the first aspect of the present invention, a plate-like electrode member is provided on the back side opposite to the coil portion with the substrate interposed therebetween. Thereby, a board | substrate is inserted | pinched between a coil part and an electrode member, and a capacitor | condenser is formed. Further, reactance is formed by the coil portion overlapping the electrode member. Resonance is generated by these formed capacitors and reactances. As a result, the resonance frequency is adjusted by changing the conditions in which the electrode member and the coil portion overlap, such as the size, shape, arrangement, or substrate thickness of the electrode member. Therefore, it is possible to easily adjust the resonance frequency without increasing the size of the component, complicating the process, and reducing the resonance Q value.
以下、磁界共鳴コイル装置を適用した直動ロボットの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように直動ロボット10は、送電側の固定ユニット11および受電側の可動部12を備えている。直動ロボット10は、生産設備や流通設備などに設けられる。固定ユニット11は、例えば直動ロボット10が設置される設備に固定されている。固定ユニット11は、可動部12の移動を案内するレール部13を有している。レール部13は、固定ユニット11の全長方向に沿って設けられている。図1に示す本実施形態の場合、レール部13は、下端にラック14を有している。固定ユニット11は、全長方向に沿って送電コイルユニット15を有している。送電コイルユニット15は、図1に示すようにレール部13の全長に沿って単一のセグメントとして、または図2に示すようにレール部13の全長に沿って複数のセグメントとして設けられている。
Hereinafter, an embodiment of a linear motion robot to which a magnetic resonance coil apparatus is applied will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the
可動部12は、図1に示すように固定ユニット11のレール部13に案内されながら、レール部13に沿って移動する。可動部12は、モータ21、駆動力伝達部22および受電コイルユニット23を有している。駆動力伝達部22は、レール部13のラック14と噛み合う図示しないピニオンを有している。モータ21は、可動部12と一体に設けられており、可動部12とともにレール部13に沿って移動する。モータ21は、駆動力伝達部22へ駆動力を供給する。モータ21の駆動力は、駆動力伝達部22を経由してレール部13のラック14に伝達される。これにより、ラック14と噛み合っている駆動力伝達部22のピニオンはモータ21の駆動力によって回転し、可動部12はレール部13に対して相対的に移動する。なお、直動ロボット10は、モータ21の駆動力を駆動力伝達部22を経由してレール部13のラック14に伝達する構成に限らない。例えば、レール部13に環状のベルトを設け、このベルトとの摩擦力を利用して可動部12がレール部13に対して移動する構成としてもよい。また、可動部12は、レール部13との間にリニアモータを形成してもよい。受電コイルユニット23は、可動部12に設けられ、モータ21および駆動力伝達部22とともに可動部12と一体にレール部13に沿って移動する。
上記のような直動ロボット10は、可動部12に各種の機能部が設けられる。例えば図3に示す例の場合、直動ロボット10の可動部12は、昇降機構部30を有している。昇降機構部30は、例えばリニアモータなどの動力源から発生した駆動力を利用して、ステージ部31の手先部32を可動部12の移動方向と垂直に駆動する。
The
In the
本実施形態の磁界共鳴コイル装置40は、上述の直動ロボット10における送電コイルユニット15および受電コイルユニット23に適用されている。すなわち、図4に示すように電力を供給する送電側の送電コイルユニット15、および電力を受け取る受電側の受電コイルユニット23は、いずれも磁界共鳴コイル装置40で構成されている。
磁界共鳴コイル装置40で構成される送電コイルユニット15および受電コイルユニット23は、図4および図5〜図7に示すようにいずれも基板41、コイル部42および電極部材43を備えている。基板41は、樹脂やガラスなどの周知の材料で形成されている。コイル部42は、この基板41の一方の面側である表面側に設けられている。コイル部42は、平板状の基板41に平面状に巻かれた平面コイルである。コイル部42は、基板41に対してプリントされたプリント配線として形成されている。なお、コイル部42は、プリント配線に限らず、プレスやエッチングなどで所定のコイル形状に形成した銅板、あるいは銅線を張り付けることによって形成してもよい。また、コイル部42は、銅に限らず、アルミニウムや鉄などの導電性の金属によって形成してもよい。
The magnetic field
Each of the power
電極部材43は、例えば銅、アルミニウムあるいは鉄などの導電性の金属によって板状に形成されている。電極部材43は、基板41のコイル部42とは反対側である裏面側に設けられている。このように、導電性のコイル部42と電極部材43との間には、誘電体である基板41が挟み込まれている。電極部材43は、図7に示すように二つに分割された電極板431および電極板432を有している。電極部材43は、二つの電極板431、432に限らず、二つ以上であれば任意に分割することができる。本実施形態の場合、二つの電極板431、432は、それぞれ分離して基板41に設けられている。
The
磁界共鳴コイル装置40で構成されている送電コイルユニット15は、図1に示すように固定ユニット11のレール部13に設けられている。送電コイルユニット15は、基板41がレール部13に対向しており、コイル部42が正面側すなわち可動部12側に露出した状態で設けられている。また、磁界共鳴コイル装置40で構成されている受電コイルユニット23は、可動部12に設けられている。受電コイルユニット23は、コイル部42が送電コイルユニット15と対向するように配置されている。送電コイルユニット15と受電コイルユニット23とは、相互の間に数mmから数十mm程度の隙間を形成して互いに非接触で対向している。受電コイルユニット23は、送電コイルユニット15との間で磁界共鳴を利用して、送電コイルユニット15と接触することなく電力を受け取る。すなわち、受電コイルユニット23は、送電コイルユニット15と接触することなく、モータ21やステージ部31などの駆動に必要な電力を送電コイルユニット15から受け取る。そのため、可動部12は、固定ユニット11の全長に関わらず、ケーブルやケーブルベアが不要となる。
The power
図4に示すように磁界共鳴コイル装置40で構成される送電コイルユニット15は、高周波電源51に接続している。電極板431および電極板432は、それぞれ高周波電源51に接続されている。また、磁界共鳴コイル装置40で構成される受電コイルユニット23は、モータ21などの負荷52に接続している。これら送電コイルユニット15および受電コイルユニット23を構成する磁界共鳴コイル装置40は、コイル部42によりインダクタが形成され、基板41を挟んでコイル部42と電極部材43とが重なり合う部分にコンデンサが形成される。これにより、磁界共鳴コイル装置40で構成される送電コイルユニット15は、図8に示すようなLC回路を形成する。すなわち、送電コイルユニット15は、コイル部42によって形成されるインダクタ61と、基板41を挟んでコイル部42と電極板431、432との間にそれぞれ形成されるコンデンサ62、63を含んでいる。同様に、磁界共鳴コイル装置40で構成される受電コイルユニット23は、図9に示すようなLC回路を形成する。すなわち、受電コイルユニット23は、コイル部42によって形成されるインダクタ64と、基板41を挟んでコイル部42と電極板431、432との間にそれぞれ形成されるコンデンサ65、66を含んでいる。
As shown in FIG. 4, the power
この磁界共鳴コイル装置40で構成された送電コイルユニット15と受電コイルユニット23との間の磁界共鳴における共振周波数は、磁界共鳴コイル装置40が形成するLC回路におけるインダクタ61、64およびコンデンサ62、63、65、66の影響を受ける。すなわち、共振周波数は、図6に示すように基板41の厚さt、図7に示すように電極部材43を構成する電極板431と電極板432との距離L1、電極板431および電極板432の短辺の長さL2、ならびに電極板431および電極板432の長辺の長さL3などによって変化する。これに基づき、共振周波数と基板41、コイル部42および電極部材43との関係の例を図10および図11に示す。
The resonance frequency in the magnetic field resonance between the power
図10に示す例の場合、コイル部42は、線幅dを2mm、図5に示すように直径Dを150mm、巻数nを20に設定している。また、基板41は、厚さtを1.6mmに設定している。この条件において、電極板431と電極板432との間の距離L1は30mmで一定としている。図10では、上記の条件において、電極板431および電極板432の短辺の長さL2と、共振周波数との関係を示している。また、図11に示す例の場合、基板41およびコイル部42の条件は、図10に示す例と同様である。この条件において、電極板431および電極板432の短辺の長さL2は60mmで一定としている。図11では、上記の条件において、電極板431と電極板432との間の距離L1と、共振周波数との関係を示している。
In the case of the example shown in FIG. 10, the
このように、磁界共鳴コイル装置40は、自身の設定、すなわち電極板431と電極板432との間の距離L1、あるいは電極板431および電極板432の短辺の長さL2を変更することにより、共振周波数が容易に調整できることが分かる。この場合、基板41の厚さt、電極板431および電極板432の長辺方向の長さL3、ならびにコイル部42の線幅d、直径Dおよび巻数nなどを変更してもよい。
Thus, the magnetic field
次に、上述の直動ロボット10における電力の供給について説明する。
図4に示すように送電コイルユニット15に接続している高周波電源51は、磁界共鳴を成立させるために数MHzから数十MHzの高周波の交流を送電コイルユニット15に供給する。この高周波電源51が供給する高周波は、例えば送電コイルユニット15および受電コイルユニット23の特性などに応じて、磁界共鳴を成立させるために任意に決定される。高周波電源51から送電コイルユニット15に電力が供給されているとき、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23とが対向している部分では磁界共鳴が生じる。そのため、受電コイルユニット23は、磁界共鳴を利用して送電コイルユニット15から電力を受け取る。一方、送電コイルユニット15に電力が供給されていても、送電コイルユニット15に受電コイルユニット23が対向していないとき、送電コイルユニット15から不要な電界や磁界は放射されない。すなわち、送電コイルユニット15に電力が供給されているとき、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23とが対向している部分は磁界共鳴によって電力の受け渡しが生じる。これに対し、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23とが対向していない部分では、電力の受け渡しが生じないだけでなく、電界や磁界の放射がほとんど生じない。
Next, power supply in the above-described
As shown in FIG. 4, the high
これは、次のような理由によるものである。すなわち、送電コイルユニット15に受電コイルユニット23が対向していないとき、送電コイルユニット15に高周波を印加しても、磁界共鳴による共振周波数における送電コイルユニット15のインピーダンスは非常に大きくなる。そのため、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23とが対向しておらず磁界共鳴が生じない部分では、送電コイルユニット15に高周波を印加しても、電流がほとんど流れず、電界や磁界の放射もほとんど生じない。これに対し、送電コイルユニット15に受電コイルユニット23が対向すると、磁界共鳴による共振周波数における送電コイルユニット15のインピーダンスは減少する。そのため、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23とが対向し互いに磁界共鳴が生じている部分では、電流が流れ、送電コイルユニット15から受電コイルユニット23へ電力が供給される。このように、磁界共鳴を利用して送電コイルユニット15から受電コイルユニット23へ電力を供給することにより、不要な電界や磁界の放射およびこれにともなう電磁ノイズの放射は低減される。
This is due to the following reason. That is, when the power receiving
以上説明したように、本実施形態では、可動部12で必要となる電力は、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23との間の磁界共鳴によって非接触で供給される。そのため、可動部12で駆動力を発生するために必要となる電力を供給するための電源ケーブルおよびこの電源ケーブルを収容するケーブルベアは不要となる。また、送電コイルユニット15と受電コイルユニット23との間は、非接触で電力が供給されるため、部材間の接触にともなう騒音および摩耗、ならびに摩耗にともなう粉塵の発生が大幅に減少する。さらに、可動部12が非接触で電力の供給を受けるため、可動部12とケーブルベアとの一体の移動も不要となる。そのため、可動部12で必要となる駆動力は減少する。可動部12で必要な駆動力の減少にともない、電力の制御に必要な回路やモータ21および駆動力伝達部22などの機械的な構成も小型化される。したがって、ケーブルベアを廃止できるだけでなく、機器を小型化することができるとともに、騒音や粉塵の発生の低減にともなって適用可能な設備を拡大することができる。
As described above, in the present embodiment, the power necessary for the
また、本実施形態では、基板41を挟んでコイル部42と反対の裏面側に平板状の電極部材43を設けている。これにより、コイル部42と電極部材43との間に基板41が挟み込まれ、コンデンサ62、63、65、66が形成される。また、基板41に設けられているコイル部42によってリアクタンスが形成される。これら形成されたコンデンサ62、63、65、66およびリアクタンスによって共振が生じる。その結果、例えば電極部材43の大きさ、形状、配置あるいは基板41の厚さなど、電極部材43とコイル部42とが重なり合う条件を変更することにより、共振周波数は調整される。したがって、部品の大型化、工程の複雑化、および共振Q値の低下を招くことなく、共振周波数の調整を容易にすることができる。
In the present embodiment, a plate-
(その他の実施形態)
その他の実施形態による磁界共鳴コイル装置の電極部材をそれぞれ図12および図13に示す。
図12および図13に示すように、磁界共鳴コイル装置40は、電極部材43の形状を変更することができる。磁界共鳴コイル装置40の電極部材43は、形状だけでなく、2枚以上であれば枚数も変更することができる。このように磁界共鳴コイル装置40は、電極部材43の形状を変更することにより、基板41を挟んでコイル部42との間に形成されるコンデンサの容量が変化し、共振周波数の調整範囲を拡大することができる。
(Other embodiments)
The electrode members of the magnetic resonance coil apparatus according to other embodiments are shown in FIGS. 12 and 13, respectively.
As shown in FIGS. 12 and 13, the magnetic field
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。
例えばコイル部42の形状や巻数などは、任意に変更することができる。
The present invention described above is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof.
For example, the shape and the number of turns of the
図面中、10は直動ロボット、40は磁界共鳴コイル装置、41は基板、42はコイル部、43は電極部材を示す。 In the drawings, 10 is a linear motion robot, 40 is a magnetic resonance coil device, 41 is a substrate, 42 is a coil section, and 43 is an electrode member.
Claims (1)
平板状の基板と、
前記基板の一方の面側である表面側に設けられている平面状のコイル部と、
前記基板の他方の面側である裏面側に二つ以上に分割して設けられ、前記コイル部との間に前記基板を挟むことによりコンデンサを形成する平板状の電極部材と、
を備える磁界共鳴コイル装置。 A magnetic resonance coil apparatus for a linear motion robot that supplies electric power in a non-contact manner using magnetic field resonance between a pair of opposing coils,
A flat substrate;
A planar coil portion provided on the surface side which is one surface side of the substrate;
A plate-like electrode member which is provided by being divided into two or more on the back surface side which is the other surface side of the substrate, and forms a capacitor by sandwiching the substrate between the coil portion;
A magnetic resonance coil apparatus comprising:
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