JP2015192547A - 直動ロボットの無線給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】追加的な設備を必要とすることなく、送電コイルと受電コイルとの間に挟まれる異物を高い精度で早期に検出する直動ロボットの無線給電装置を提供する。
【解決手段】送電コイル１４は高周波生成部４１で生成した異物検出量高周波を発振する見かけ上のアンテナとして機能する。共振波検出部４２は、送電コイル１４に周波数ｆおよび波長λの異物検出用高周波を供給したとき、アンテナである送電コイル１４における共振による共振波の共振周波数ｆｘまたは波長λｘの少なくともいずれか一方を検出する。送電コイル１４で構成されるアンテナの共振時の共振周波数ｆｘまたは波長λｘを検出することにより、送電コイル１４と受電コイルとの間で電力の伝送が成立しているか否かに関わらず、送電コイル１４への異物の付着が検出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直動ロボットに用いられる磁界共鳴を利用した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。一般的な直動ロボットは、直線状または曲線状の固定された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、モータが発生する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、ケーブルベア（登録商標）などのケーブル収容部材に収容された電源ケーブルを経由して電源からモータへ電力が供給される。しかし、ケーブル収容部材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収容部材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、ケーブル収容部材の重量も考慮した出力が求められる。その結果、可動部を駆動するモータの大型化、ひいてはロボット設備全体の大型化を招く。

そこで、固定部と可動部との間で無線を用いて電力を供給することが考えられている。固定部から可動部へ無線を用いて電力を供給することにより、ケーブル収容部材など電力の供給のために必要な部材は削減される。そのため、軽量化およびモータの出力の低下が図られ、設備全体の小型化にもつながる。

ところで、無線給電の場合、当然ながら送電側の固定部と受電側の可動部との間には隙間が形成される。この隙間に金属などの異物が挟まれると、異物に渦電流などの誘導電流が生じ、異物の発熱を招くことが懸念されている。そこで、特許文献１では、受電側で送電用のコイルおよび受電用コイルで検出したＱ値により、異物を検出することが提案されている。また、特許文献２では、温度センサを用いて、異物の発熱を直接検出することが提案されている。

しかしながら、上記したいずれの特許文献の場合も、送電側のコイルと受電側のコイルとの間に異物が挟まらない限り、この異物を検出することはできない。すなわち、特許文献１および特許文献２の場合、Ｑ値の変化および異物の発熱は、送電側から受電側へ電力が伝送されない限り生じない。そのため、これら特許文献に開示されている技術では、異物の早期発見が困難であり、安全性が低いという問題がある。小型化が要求されるロボットの場合、送電側のコイルと受電側のコイルとの間の隙間も当然ながら小さくなる。送電側のコイルと受電側のコイルとの間に異物が挟まった状態でなければこの異物が検出できない場合、小型化にともない小さくなるコイル間の隙間に異物が挟み込まれると、噛み込みを生じ、ロボットの機能が妨げられるおそれがある。また、無線給電を利用する直動ロボットの場合、付加的な機器によるロボット設備全体の大型化は望ましくない。すなわち、カメラで撮影した画像情報に基づく異物を検出したり、温度センサを用いる特許文献２は、付加的な機器を必要とし、ロボット設備には適切でないという問題がある。

特開２０１２−９０３７３号公報 特開２０１３−１７２４７号公報

そこで、本発明の目的は、追加的な設備を必要とすることなく、送電コイルと受電コイルとの間に挟まれるおそれがある異物を高い精度で早期に検出す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記載の発明では、一対の送電コイルと受電コイルとの間は、磁界共鳴を利用して非接触で電力が供給される。すなわち、送電コイルに供給された高周波によって、送電コイルと受電コイルとの間に磁界共鳴が生じ、この磁界共鳴を利用して送電コイルから受電コイルへ電力が供給される。そして、請求項１記載の発明では、この送電コイルは見かけ上のアンテナとして機能する。すなわち、高周波生成手段は、電力を伝送するための高周波とは波長および周波数が異なる異物検出用高周波を生成し、送電コイルから発振する。このとき、高周波生成手段は、周波数ｆの高周波を生成する。送電コイルは、この周波数ｆに対応する波長λについて、長辺がλ／２に設定されている見かけ上のアンテナとなる。共振波検出手段は、この見かけ上のアンテナである送電コイルに周波数ｆおよび波長λの異物検出用高周波を供給したとき、アンテナにおける共振波の波長λｘまたは共振周波数ｆｘの少なくともいずれか一方を検出する。

アンテナとして機能する送電コイルに金属の異物が付着しているとき、送電コイルで構成される見かけ上のアンテナは、アンテナ長辺の全長が変化する。仮に、送電コイルの中央付近に異物が付着しているとすると、送電コイルで構成される見かけ上のアンテナの長さは１／２となる。そのため、送電コイルに波長λの異物検出用高周波を供給したとき、共振波の波長λｘは、異物が付着していないときの波長λと異なる。異物検出手段は、共振波検出手段で検出した共振時の共振周波数ｆｘまたは波長λｘから、送電コイルに異物が付着しているか否かを検出する。このように、請求項１記載の発明では、送電コイルに異物が付着したとき、送電コイルから構成される見かけ上のアンテナの長さが変化することに着目している。見かけ上のアンテナの長さが変化することにより、共振時の共振周波数ｆｘおよび波長λｘは変化する。そのため、共振周波数ｆｘまたは波長λｘを検出することにより、送電コイルと受電コイルとの間で電力の伝送が成立しているか否かに関わらず、送電コイルへの異物の付着が検出される。したがって、送電コイルと受電コイルとの間に挟まれるおそれがある異物を高い精度で早期に検出することができる。すなわち、磁界共鳴を利用して無線給電を行う請求項１記載の発明では、送電コイルは見かけ上のアンテナとしても機能する。そのため、送電コイルに異物が付着しているとき、その異物によって送信コイルのアンテナ長が変化する。その結果、送電コイルに異物検出用高周波を供給したとき、異物の有無によって検出される高周波の波長が変化する。したがって、異物が送電コイルと受電コイルとの挟まれる前に送電コイルに付着した異物を検出することができる。

また、請求項１記載の発明では、磁界共鳴による無線給電を行うことにより、送電コイルは見かけ上のアンテナとして活用される。そのため、共振を検出するために別途新たな構成を追加する必要は無い。したがって、追加的な設備を必要とせず、設備の大型化を回避することができる。

請求項２記載の発明では、異物検出用高周波は、直動ロボットの制御に用いられる信号と同一の周波数である。送電コイルと受電コイルとの間では、可動側を駆動するための電力だけでなく、可動側を制御するための信号も伝送される。すなわち、電力伝送用の高周波と制御用の信号とは、重畳して送電コイルから受電コイルへ発振される。また、送電コイルにおける異物を検出する時期と、送電コイルから受電コイルへ制御用の信号を発振する時期とは一致させる必要は無い。そこで、制御用の信号を異物検出用高周波として用いることにより、既存の構成を利用して送電コイルに付着した異物が検出される。したがって、部品点数の増加や構造の複雑化を招くことなく、送電コイルと受電コイルとの間に挟まれる異物を高い精度で早期に検出することができる。

一実施形態による無線給電装置の構成を示す模式図 一実施形態による無線給電装置を適用した直動ロボットを示す概略斜視図 一実施形態による無線給電装置を適用した直動ロボットを示す概略斜視図 一実施形態による無線給電装置の送電コイルに付着した異物を示す模式図 一実施形態による無線給電装置における異物の有無による共振周波数とパワースペクトルとの関係を示す概略図

以下、無線給電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２に示すように直動ロボット１０は、レール部１１、可動部１２、モータ１３、送電コイル１４および受電コイル１５を備えている。レール部１１は、直線状に形成されている。なお、レール部１１は、任意の曲線状に形成してもよい。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。レール部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。レール部１１は、ラック１６を有している。ラック１６は、レール部１１に沿って設けられている。図２に示す一実施形態の場合、ラック１６は、レール部１１の下端に設けられている。

可動部１２は、レール部１１に案内されながら、レール部１１に沿って移動する。すなわち、可動部１２は、設備に固定されているレール部１１に対して移動する。可動部１２は、駆動力伝達部１７を有している。駆動力伝達部１７は、レール部１１のラック１６と噛み合う図示しないピニオンを有している。モータ１３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１１に沿って移動する。モータ１３は、駆動力伝達部１７へ駆動力を供給する。モータ１３の駆動力は、駆動力伝達部１７を経由してラック１６に伝達される。これにより、ラック１６と噛み合っている駆動力伝達部１７のピニオンはモータ１３の駆動力によって回転し、可動部１２はレール部１１に対して相対的に移動する。なお、直動ロボット１０は、駆動力伝達部１７を経由してモータ１３の駆動力をレール部１１のラック１６に伝達する構成に限らない。例えば、レール部１１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１１に対して移動する構成としてもよい。

送電コイル１４は、レール部１１に沿って設けられている。この送電コイル１４は、平面状に巻かれた平面コイルで形成され、レール部１１の側面に設けられている。すなわち、送電コイル１４は、レール部１１の側面に設けられている基板１８に平面状に形成されている。
受電コイル１５は、可動部１２に設けられ、モータ１３および駆動力伝達部１７とともに可動部１２と一体にレール部１１に沿って移動する。受電コイル１５は、レール部１１に設けられている送電コイル１４と対向している。受電コイル１５は、送電コイル１４と対向する面積が送電コイル１４の面積よりも小さく形成されている。送電コイル１４と受電コイル１５とは、隙間を形成しつつ離れて設けられている。すなわち、送電コイル１４と受電コイル１５との間は、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１４と受電コイル１５との間は、磁界共鳴を利用して受電コイル１５が送電コイル１４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１５は、送電コイル１４と接触することなく、モータ１３などで消費される電力を送電コイル１４から受け取る。

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２０を有している。昇降機構部２０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２１を可動部１２の移動方向と垂直に駆動する。この場合、動力源の作動に必要な電力は、可動部１２のモータ１３と同様に、送電コイル１４と受電コイル１５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。
図１に示すように、送電コイル１４は、電力供給部３１に接続している。電力供給部３１は、送電コイル１４と受電コイル１５との間に磁界共鳴を成立させるために数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波の電力を送電コイル１４へ供給する。この電力供給部３１が供給する高周波は、例えば送電コイル１４および受電コイル１５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３１は、送電コイル１４に送電用の高周波を供給する。これにより、送電コイル１４に高周波が供給されているとき、送電コイル１４と受電コイル１５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１５は、磁界共鳴を利用して送電コイル１４から非接触で電力を受け取る。一方、送電コイル１４に高周波を供給していても、送電コイル１４に受電コイル１５が対向していないとき、送電コイル１４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１４に高周波を供給しているとき、送電コイル１４と受電コイル１５とが対向している部分はインピーダンスが低下して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１４と受電コイル１５とが対向していない部分では、インピーダンスが非常に大きくなる。そのため、送電コイル１４と受電コイル１５とが対向していない部分では、電流がほとんど流れず、電界や磁界の放射がほとんど生じない。

次に、上述の直動ロボット１０に用いる無線給電装置４０について説明する。
本実施形態の無線給電装置４０は、上述した送電コイル１４および電力供給部３１に加え、高周波生成部４１、共振波検出部４２および異物検出部４３を備えている。送電コイル１４は、無線給電装置４０において異物を検出する際の見かけ上のアンテナとして機能する。高周波生成部４１は、異物検出用高周波を生成し、生成した高周波をアンテナである送電コイル１４へ供給する。高周波生成部４１は、上述の電力供給部３１が供給する高周波と波長および周波数が異なる異物検出用高周波を生成する。すなわち、高周波生成部４１は、波長λおよび周波数ｆの異物検出用高周波を生成する。本実施形態の場合、異物検出用高周波の周波数ｆは、電力供給部３１から出力される電力伝送用の周波数に比較して高い数百ＭＨｚに設定されている。本実施形態では、電力伝送用の高周波の周波数は６．７８ＭＨｚ、異物検出用高周波の周波数は４７８ＭＨｚに設定している。これら電力伝送用の高周波の周波数、および異物検出用高周波の周波数は、いずれも一例であり、任意に変更することができる。

また、高周波生成部４１は、直動ロボット１０の制御に用いられる信号と同一の周波数で異物検出用高周波を生成してもよい。送電コイル１４と受電コイル１５との間では、可動部１２を駆動するための電力だけでなく、可動部１２を制御するための信号も伝送される。すなわち、電力伝送用の高周波と制御用の信号とは、重畳して送電コイル１４から受電コイル１５へ磁界共鳴を利用して伝送される。また、送電コイル１４における異物の検出は、送電コイル１４から受電コイル１５へ制御用の信号を発振する時期よりも前に行われる。そのため、制御用の信号を異物検出用高周波として用いても、可動部１２の制御には支障がない。そこで、高周波生成部４１は、制御に用いられる信号と同一の周波数で異物検出用高周波を生成する。これにより、送電コイル１４に付着した異物は、既存の制御用の信号を利用して検出される。

送電コイル１４は、この高周波生成部４１で生成された異物検出用高周波を発振するアンテナとして機能する。送電コイル１４は、長辺が異物検出用高周波の波長λに対して、λ／２に設定されている。これにより、送電コイル１４に異物検出用高周波を供給したとき、アンテナである送電コイル１４において共振が発生する。共振は、図１に示す式（１）の条件で成立する。式（１）において、ｃは光速、εｒは送電コイル１４が形成されている基板１８の誘電率、ｆは異物検出用高周波の周波数、λは異物が存在しないときの送電コイル１４のアンテナ波長を意味する。

ここで、図４に示すように送電コイル１４に異物５０が付着しているとき、アンテナである送電コイル１４の見かけの長さは変化する。そのため、送電コイル１４に異物５０が付着しているとき、共振波の周波数は共振周波数ｆｘとなり、この波長は波長λｘとなる。共振波検出部４２は、復調器を有しており、送電コイル１４における共振による共振周波数ｆｘおよび波長λｘを検出する。異物検出部４３は、この共振波検出部４２で検出した共振波の共振周波数ｆｘおよび波長λｘから、送電コイル１４に異物５０が付着しているか否かを検出する。

高周波生成部４１と送電コイル１４との間、および送電コイル１４と共振波検出部４２との間には、それぞれフィルタ４４、フィルタ４５が挿入されている。フィルタ４４は、電力供給部３１で生成した電力伝送用の高周波の電力信号が高周波生成部４１に混入し、高周波生成部４１を破壊することを防止するために挿入される。また、フィルタ４５は、電力供給部３１で生成した電力伝送用の高周波、および送電コイル１４における共振による高周波によって共振波検出部４２および異物検出部４３が破壊されることを防止するために挿入される。これらフィルタ４４およびフィルタ４５は、高周波生成部４１、共振波検出部４２および異物検出部４３の破壊のおそれがない場合は省略してもよい。

図４に示すように、送電コイル１４に異物５０が付着しているとき、送電コイル１４が構成するアンテナの見かけ上の長さは変化する。そのため、送電コイル１４における共振周波数ｆｘおよび波長λｘは、アンテナの長さ、すなわち送電コイル１４に付着した異物５０の位置によって変化する。送電コイル１４に異物５０が付着していないとき、図５の実線で示すように送電コイル１４における共振周波数ｆｘは異物検出用高周波の周波数ｆと等しい、つまりｆ＝ｆｘである。しかし、送電コイル１４に異物５０が付着すると、図５の破線で示すように送電コイル１４における共振周波数ｆｘは異物検出用高周波の周波数ｆと異なる、つまりｆ≠ｆｘである。そして、この共振波の共振周波数ｆｘおよび波長λｘは、アンテナの長さ、すなわち送電コイル１４に付着した異物５０の位置に相関する。つまり、送電コイル１４に異物が付着したとき、図４に示すように送電コイル１４で構成されるアンテナの長さはλｘ／２となる。これにより、異物検出部４３は、共振波検出部４２で検出した共振波の共振周波数ｆｘおよび波長λｘから、送電コイル１４に異物が付着しているか否かを検出することができる。

以上説明した一実施形態では、送電コイル１４は高周波生成部４１で生成した異物検出量高周波を発振する見かけ上のアンテナとして機能する。高周波生成部４１は、電力供給部３１で生成した電力を伝送するための高周波とは波長および周波数が異なる異物検出用高周波を生成し、送電コイル１４から発振する。共振波検出部４２は、送電コイル１４に周波数ｆおよび波長λの異物検出用高周波を供給したとき、アンテナである送電コイル１４における共振による共振波の共振周波数ｆｘまたは波長λｘの少なくともいずれか一方を検出する。送電コイル１４で構成されるアンテナの共振時の共振周波数ｆｘまたは波長λｘを検出することにより、送電コイル１４と受電コイル１５との間で電力の伝送が成立しているか否かに関わらず、送電コイル１４への異物の付着が検出される。したがって、送電コイル１４と受電コイル１５との間に挟まれる異物を高い精度で早期に検出することができる。

また、一実施形態では、送電コイル１４をそのまま見かけ上のアンテナとして用いている。そのため、共振を生じさせるために別途新たな構成を追加する必要は無い。また、一実施形態は、異物５０を検出するためのカメラや、異物５０の加熱を検出するための温度センサなども必要としない。そのため、設備の大型化を招く外部の装置は不要である。したがって、追加的な設備を必要とせず、設備の大型化を回避することができる。

さらに、一実施形態では、異物検出用高周波は、直動ロボット１０の制御に用いられる信号と同一の周波数である。制御用の信号を異物検出用高周波として用いることにより、既存の制御用の信号を生成する構成は高周波生成部４１として利用される。したがって、部品点数の増加や構造の複雑化を招くことなく、送電コイル１４と受電コイル１５との間に挟まれる異物５０を高い精度で早期に検出することができる。

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。
一実施形態では、送電コイルをレール部の伸びる方向に沿って一つ設ける例について説明した。しかし、送電コイルは、レール部に沿って複数設けてもよい。すなわち、送電コイルは、レール部が伸びる方向へ沿って二つ以上設けてもよい。この場合、複数の送電コイルは、それぞれ電力供給部および高周波生成部と並列に接続される。このように、送電コイルをレール部に沿って複数設けることにより、可動部が移動可能な距離が容易かつ任意に延長することができる。

図面中、１０は直動ロボット、１４は送電コイル（アンテナ）、１５は受電コイル、４０は無線給電装置、４１は高周波生成部（高周波生成手段）、４２は共振波検出部（共振波検出手段）、４３は異物検出部（異物検出手段）を示す。

Claims (2)

1. 一対の送電コイルと受電コイルとの間において磁界共鳴を利用して非接触で電力を供給する直動ロボットの無線給電装置であって、
   前記送電コイルと前記受電コイルとの間で電力を伝送するための高周波とは波長および周波数が異なる異物検出用高周波を、波長が波長λであり、周波数が周波数ｆとして生成する高周波生成手段と、
   前記送電コイルによって構成され、長辺が前記波長λに対してλ／２に設定されている見かけ上のアンテナと、
   前記アンテナへ前記高周波生成手段で生成された前記異物検出用高周波を供給したとき、前記アンテナにおける共振による共振波の波長λｘまたは共振周波数ｆｘの少なくともいずれか一方を検出する共振波検出手段と、
   前記共振波検出手段で検出した前記波長λｘまたは前記共振周波数ｆｘから、前記送電コイルにおける異物の有無を検出する異物検出手段と、
   を備える直動ロボットの無線給電装置。
2. 前記異物検出用高周波は、前記直動ロボットの制御のために用いられる信号と同一の周波数である請求項１記載の直動ロボットの無線給電装置。

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