JP2014187777A - 直動ロボットの無線給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーブルベアを用いることなく電力の供給を達成するとともに、ノイズの発生が低減される直動ロボットの無線給電装置を提供する。
【解決手段】受電コイルユニット１２は、送電コイルユニット１１の送電コイル２２を挟んで第一コイル３１および第二コイル３２を有する。送電コイルユニット１１から受電コイルユニット１２へ電力が供給されるとき、磁界共鳴の大部分は送電コイル２２と第一コイル３１との間で生じる。このとき、磁界共鳴のために送電コイル２２と第一コイル３１との間に生じる磁束は、基板２１の裏面側にも漏れ出す。基板２１の裏面側が第二コイル３２と対向することにより、磁束の漏れは第二コイル３２によって遮蔽されるとともに、送電コイル２２と第二コイル３２との間でも磁界共鳴が生じる。
【選択図】図３

Description

本発明は、直動ロボットの無線給電装置に関する。

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。

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、可動部で運搬される部材の重量だけでなく、ケーブルベアの重量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。

そこで、ケーブルベアに代えて無線による電力の供給が考えられている。しかし、電力の供給を無線で行なう場合、電力の伝達時におけるノイズの発生が避けられないという問題がある。直動ロボットが導入される設備では、ロボット以外に様々な機器が作動している。そのため、電力の供給にともなうノイズは、可能な限り低減することが求められる。

特開２００９−２０８９４１号公報

そこで、本発明の目的は、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装置を用いた無線給電において、電力の供給を達成するとともに、ノイズの発生が低減される直動ロボットの無線給電装置を提供することにある。

請求項１または２記載の発明では、可動側で必要となる電力は、送電コイルユニットと受電コイルユニット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、可動側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と受電コイルユニットとの間は、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は大幅に減少する。さらに、可動側が非接触で電力の供給を受けるため、可動側とケーブルベアとの一体の移動も不要となる。そのため、可動側で必要となる駆動力は減少する。可動側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。

また、請求項１記載の発明では、受電コイルユニットは、送電コイルユニットをその表面側と裏面側から挟み込んでいる。送電コイルユニットは、基板に設けられた送電コイルを有している。受電コイルユニットは、この送電コイルユニットの表面と対向する第一コイル、および送電コイルユニットの裏面と対向する第二コイルを有している。受電コイルユニットは、これら第一コイルおよび第二コイルによって送電コイルユニットを挟み込んでいる。上記のような構造により、第一コイルのみの場合に比較して、無線給電の効率は向上する。このとき、無線による給電に寄与しなかった漏洩磁束はノイズの原因となる。そこで、この基板の裏面側が第二コイルと対向することにより、磁束の漏れは第二コイルによって遮蔽されるとともに、送電コイルと第二コイルとの間でも磁界共鳴が生じる。すなわち、請求項１記載の発明では、電力の伝達効率の向上を目指して基板の裏面側に第二コイルを配置することによって、伝達効率の向上だけでなく、ノイズの低減も図られる。したがって、磁束の漏れによるノイズの発生が低減されるとともに、磁界共鳴による電力の伝達効率を高めることができる。

請求項２記載の発明では、第一コイルおよび第二コイルは、平面コイルであり、基板を挟んで鏡像となる巻方向である。このように、第一コイルおよび第二コイルの巻方向を設定することにより、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間の反射率が低下する。すなわち、送電コイルユニットから受電コイルユニットへの電力の伝達効率は向上する。したがって、磁界共鳴による電力の伝達効率をより高めることができる。

一実施形態による直動ロボットを示す概略斜視図 一実施形態による直動ロボットを示す概略斜視図 一実施形態による直動ロボットの構成を示す模式図 一実施形態による直動ロボットの電気的な回路構成を示す概略図 一実施形態による直動ロボットの受電コイルユニットを示す模式図 受電コイルユニットの構成とＳＷＲとの関係を示す概略図 比較例１による直動ロボットの受電コイルユニットを示す模式図 比較例２による直動ロボットの受電コイルユニットを示す模式図

以下、直動ロボットの実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図３に示すように一実施形態による直動ロボット１０は、送電コイルユニット１１および受電コイルユニット１２を備えている。送電コイルユニット１１および受電コイルユニット１２は、無線給電装置を構成している。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。送電コイルユニット１１は、図示しないラックが形成されたレール部１３を有している。レール部１３は、送電コイルユニット１１の全長方向に沿って設けられている。図１から図３に示す一実施形態の場合、レール部１３は、上端にラック１４を有している。

直動ロボット１０は、可動部１５を備えている。可動部１５は、送電コイルユニット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１５は、図３に示すようにモータ１６および駆動力伝達部１７を有している。可動部１５は、受電コイルユニット１２と一体に設けられている。モータ１６は、可動部１５に一体に設けられており、可動部１５とともにレール部１３に沿って移動する。モータ１６は、駆動力伝達部１７へ駆動力を供給する。駆動力伝達部１７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１６の駆動力は、駆動力伝達部１７を経由してレール部１３のラックに伝達される。これにより、ラックと噛み合っている駆動力伝達部１７のピニオンはモータ１６の駆動力によって回転し、可動部１５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１６の駆動力を駆動力伝達部１７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１５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１５は、レール部１３との間にリニアモータを形成してもよい。

送電コイルユニット１１は、図１から図３に示すように基板２１および送電コイル２２を有している。基板２１は、板厚方向の一方の端面である表面に送電コイル２２を有している。送電コイル２２は、基板２１の表面に平面状に巻かれている。図１に示す実施形態の場合、送電コイルユニット１１は、複数巻きの送電コイル２２を有している。送電コイルユニット１１は、一巻きの送電コイル２２を有していてもよい。送電コイル２２は、図４に示すように電力供給部２３に接続している。これにより、送電コイル２２は、電力供給部から電力が供給される。送電コイル２２は、例えば所定の形状に打ち抜かれた銅板、基板に張り付けられた銅線あるいはプリント配線などによって形成されている。

受電コイルユニット１２は、図１から図３に示すように可動部１５と一体に設けられ、モータ１６および駆動力伝達部１７とともに可動部１５と一体にレール部１３に沿って移動する。受電コイルユニット１２は、図２および図３に示すように第一コイル３１および第二コイル３２を有している。第一コイル３１は、第一基板３３に設けられている。具体的には、第一コイル３１は、第一基板３３の送電コイルユニット１１側の面に設けられている。これにより、第一コイル３１は、送電コイルユニット１１の基板２１の表面、すなわち基板２１に設けられている送電コイル２２と対向する。また、第二コイル３２は、第二基板３４に設けられている。具体的には、第二コイル３２は、第二基板３４の送電コイルユニット１１側の面に設けられている。これにより、第二コイル３２は、送電コイルユニット１１の基板２１の裏面、すなわち基板２１の送電コイル２２が設けられていない面と対向する。上記の構成により、受電コイルユニット１２は、送電コイルユニット１１の基板２１を挟んで、第一コイル３１が基板２１の表面と対向し、第二コイル３２が基板２１の裏面と対向する。その結果、送電コイルユニット１１は、第一コイル３１と第二コイル３２との間に挟み込まれた状態となる。また、これら第一コイル３１および第二コイル３２は、送電コイル２２と同様に銅板、銅線あるいはプリント配線などによって形成されている。

これらの第一コイル３１および第二コイル３２は、いずれも平面コイルである。そして、第一コイル３１および第二コイル３２は、図５に示すように送電コイル２２が設けられている基板２１を挟んで鏡像となる巻方向である。すなわち、第一コイル３１と第二コイル３２とは、互いに巻方向が逆となる。第一コイル３１と送電コイル２２が設けられている基板２１の表面との間、および第二コイル３２と基板２１の裏面との間は、それぞれ数ｍｍから数十ｍｍ程度の間隔を形成し、互いに非接触である。これら送電コイル２２と第一コイル３１および第二コイル３２との間は、磁界共鳴を利用して互いに接触することなく電力が伝達される。すなわち、第一コイル３１および第二コイル３２は、送電コイル２２と接触することなくモータ１６などで消費される電力を送電コイル２２から受け取る。可動部１５は、第一コイル３１および第二コイル３２を経由して送電コイル２２から非接触で電力を受け取る。そのため、レール部１３の長さを任意に延長しても、可動部１５に電力を供給するためのケーブルやケーブルベアは不要である。

図４に示すように第一コイル３１は、共振コンデンサ３５とともにＬＣ回路を構成している。第一コイル３１は、共振コンデンサ３５の反対側にダイオード３６が直列に挿入されている。同様に、第二コイル３２は、共振コンデンサ３７とともにＬＣ回路を構成している。第二コイル３２は、共振コンデンサ３７の反対側にダイオード３８が直列に挿入されている。そして、これら第一コイル３１および第二コイル３２は、平滑コンデンサ４１および平滑コイル４２に接続されている。可動部１５におけるモータ１６などの負荷４３は、平滑コンデンサ４１と並列に接続されている。なお、可動部１５側の回路では、平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４１に限らず、他の整流回路を接続してもよい。一方、送電コイルユニット１１の送電コイル２２は、共振コンデンサ４４とともにＬＣ回路を構成し、電力供給部２３に接続している。電力供給部２３は、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波の交流を送電コイル２２へ供給する。

上記のような直動ロボット１０は、可動部１５に例えば図示しない昇降機構部などの各種の機能部が設けられる。昇降機構部は、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図示しないステージ部を可動部１５の移動方向と垂直に駆動する。この場合、機能部の作動に必要な電力は、可動部１５のモータ１６と同様に、送電コイル２２と第一コイル３１および第二コイル３２との間における非接触による給電によって供給される。

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。
送電コイル２２に接続している電力供給部２３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２２に供給する。この電力供給部２３が供給する高周波は、例えば送電コイル２２、ならびに受電コイルユニット１２の第一コイル３１および第二コイル３２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。電力供給部２３は、電源がオンされると、送電コイル２２に高周波を印加する。このように送電コイル２２に高周波が印加されているとき、送電コイル２２と受電コイルユニット１２の第一コイル３１および第二コイル３２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１２は、磁界共鳴を利用して送電コイル２２から電力を受け取る。一方、送電コイル２２に高周波を印加していても、送電コイル２２に受電コイルユニット１２が対向していないとき、送電コイル２２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２２に通電しているとき、送電コイル２２と受電コイルユニット１２とが対向している部分で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２２と受電コイルユニット１２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。

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２２に受電コイルユニット１２の第一コイル３１および第二コイル３２が対向していないとき、送電コイル２２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２２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２２と受電コイルユニット１２の第一コイル３１および第二コイル３２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２２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２２に受電コイルユニット１２の第一コイル３１および第二コイル３２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２２のインピーダンスは減少する。そのため、送電コイル２２と受電コイルユニット１２の第一コイル３１および第二コイル３２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２２から受電コイルユニット１２側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２２から受電コイルユニット１２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。

上記の構成による一実施形態による直動ロボットにおける作用について説明する。
図６は、受電コイルユニット１２の構成とＳＷＲ（定在波比）との関係を示している。ＳＷＲは、図６の式（１）によって求められる値である。ＳＷＲ＝１のとき、反射波が０であることを意味する。この反射波が０となるとき、送電コイル２２から出力された電力はすべて受電コイルユニット１２に伝達されたこととなる。したがって、ＳＷＲ＝１のとき、送電コイル２２から受電コイルユニット１２への伝達効率は１００％となる。

実施形態では、図３および図５に示すように受電コイルユニット１２は、送電コイルユニット１１を挟む第一コイル３１および第二コイル３２を備えている。比較例１では、図７に示すように受電コイルユニット１２は、送電コイル２２と対向する第一コイル３１のみを備えている。また、比較例２では、図８に示すように受電コイルユニット１２は、実施形態と同様に送電コイルユニット１１を挟む二つのコイル５１、５２を備える。しかし、比較例２の受電コイルユニット１２は、図８に示すように二つのコイル５１、５２の巻方向が鏡像関係にない。

図６によると、実施形態の受電コイルユニット１２は、比較例１および比較例２に比較してＳＷＲが１に近い、すなわち反射率が大きいことが分かる。具体的には、実施形態の受電コイルユニット１２は、反射率が０．２％である。つまり、実施形態の受電コイルユニット１２は、伝達効率が９９．８％である。これに対し、比較例１は反射率が５．０％であり、比較例２は反射率が２０％である。これらのことからも、本実施形態の構成による受電コイルユニット１２は、伝達効率が向上していることが分かる。

また、実施形態では、送電コイルユニット１１の基板２１の裏面側に受電コイルユニット１２の第二コイル３２が対向している。送電コイルユニット１１と受電コイルユニット１２との間の磁界共鳴による電力伝達の大部分は、送電コイル２２と第一コイル３１との間で行なわれる。このとき、送電コイル２２と第一コイル３１との間の磁界共鳴によって生じた磁束は、送電コイル２２が設けられている基板２１の裏面側にも漏れる。この漏れ出した磁束は、ノイズを招く原因となる。実施形態では、この基板２１の裏面側に第二コイル３２が対向している。そのため、基板２１の裏面側に漏れ出した磁束は、第二コイル３２によって遮蔽される。これとともに、この基板２１の裏面側に漏れ出した磁束によって、送電コイル２２と第二コイル３２との間で磁界共鳴が生じる。これにより、送電コイル２２から出力される電力は、第一コイル３１だけでなく、第二コイル３２にも伝達される。その結果、磁束の漏れにともなうノイズが低減されるとともに、送電コイルユニット１１と受電コイルユニット１２との間の伝達効率が向上する。

さらに、送電コイルユニット１１を第一コイル３１と第二コイル３２とで挟み込む場合、第一コイル３１と第二コイル３２との巻方向は伝達効率に影響を与える。上述の図６に示すように、第一コイル３１と第二コイル３２との巻方向が鏡像関係となる実施形態は、比較例２よりも伝達効率が高いことが分かる。したがって、送電コイルユニット１１を第一コイル３１と第二コイル３２とで挟み込む場合、第一コイル３１と第二コイル３２とは鏡像関係の巻方向にすることが好ましい。

以上説明したように、一実施形態では、可動部１５で必要となる電力は、送電コイルユニット１１と受電コイルユニット１２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１５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１１と受電コイルユニット１２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は大幅に減少する。さらに、可動部１５が非接触で電力の供給を受けるため、可動部１５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１５で必要となる駆動力は減少する。可動部１５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。

また、一実施形態では、送電コイルユニット１１から受電コイルユニット１２へ電力が供給されるとき、磁界共鳴の大部分は送電コイル２２と第一コイル３１との間で生じる。このとき、磁界共鳴のために送電コイル２２と第一コイル３１との間に生じる磁束は、基板２１の裏面側にも漏れ出す。基板２１の裏面側が第二コイル３２と対向することにより、磁束の漏れは第二コイル３２によって遮蔽されるとともに、送電コイル２２と第二コイル３２との間でも磁界共鳴が生じる。したがって、磁束の漏れによるノイズの発生が低減されるとともに、磁界共鳴による電力の伝達効率を高めることができる。

さらに、一実施形態では、第一コイル３１および第二コイル３２は、平面コイルであり、基板２１を挟んで鏡像関係の形状である。このように、第一コイル３１および第二コイル３２を鏡像関係に形成することにより、送電コイルユニット１１と受電コイルユニット１２との間の反射率が低下する。すなわち、送電コイルユニット１１から受電コイルユニット１２への電力の伝達効率は向上する。したがって、磁界共鳴による電力の伝達効率をより高めることができる。

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。

図面中、１０は直動ロボット、１１は送電コイルユニット、１２は受電コイルユニット、２１は基板、２２は送電コイル、３１は第一コイル、３２は第二コイルを示す。

Claims (2)

1. 基板の一方の面である表面側に送電コイルを有する固定側の送電コイルユニットと、
   前記送電コイルに沿って移動する可動側に設けられ、前記基板の表面側で前記送電コイルと非接触で対向する第一コイル、および前記基板を挟んで前記基板の裏面側と非接触で対向する第二コイルを有し、前記送電コイルとの間で磁界共鳴を利用して電力を非接触で受け取る受電コイルユニットと、
   を備える直動ロボットの無線給電装置。
2. 前記第一コイルおよび前記第二コイルは、平面コイルであり、前記基板を挟んで鏡像となる巻方向である請求項１記載の直動ロボットの無線給電装置。

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