JP5812839B2

JP5812839B2 - 非接触給電装置

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Publication number: JP5812839B2
Application number: JP2011270897A
Authority: JP
Inventors: 神藤　高広; 高広神藤; 壮志野村; 直道石浦
Original assignee: Fuji Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN103959600B; WO2013088990A1; EP2793356B1; EP2793356A4; CN103959600A; EP2793356A1; JP2013123319A

Description

本発明は非接触給電装置に関し、より詳細には、リニアモータ装置の移動体に設けられたコイルに非接触で給電する装置に関する。

多数の部品が実装された基板を生産する基板用作業機器として、はんだ印刷機、部品実装機、はんだリフロー機、基板検査機などがあり、これらを基板搬送装置で連結して基板生産ラインを構築する場合が多い。これらの基板用作業機器の多くは、基板上を移動して所定の作業を行う移動体を備え、移動体をリニアモータ装置やボールねじ機構などで駆動するのが一般的になっている。そして、移動体上で必要とされる電力を給電するために、従来技術では変形可能な給電用ケーブルを用いたり、移動しながらの給電が可能な摺動給電部を設けたりしていた。しかしながら、これらの接触給電機構のうち給電用ケーブルでは繰り返し変形による金属疲労のおそれがあり、摺動給電部でも摩耗などのおそれがある。このため、近年では、移動体への給電技術として、特許文献１および２に例示される高周波を用いた非接触給電技術が検討されている。非接触給電技術には、大きく分けて電界結合方式と電磁誘導方式があり、基板用作業機器に限定されず幅広い分野の産業用作業機器への適用が考えられる。

特許文献１に開示されたエネルギー搬送装置は、主として２つの離れた能動電極間に容量結合が存在し、これらの電極が強い電位にされ、強い場のゾーンがこれらの電極間に位置する空間に限定されることを特徴としている。さらに、請求項２には、能動電極が高圧高周波発生器に結合され、電位エネルギーが電極間の空間に供給される態様が示されている。これにより、遠隔エネルギー伝送を行うことができる。特許文献１は、電界結合方式の非接触給電技術の一例を示している。

また、特許文献２に開示された移動体の無接触給電設備は、レール軌道に沿って高周波の正弦波電流を流す線路を敷設し、この線路に共振して起電力が生じるコイルを移動体に設けている。さらに、レール軌道の継ぎ目をそれぞれ移動体の移動方向に沿って切り欠いて組合せ、この継ぎ目で線路を折り返して線路をループ状に形成したことを特徴としている。これにより、移動体は走行中にも無接触で給電され、また、レール軌道の継ぎ目で磁路の空乏箇所が生じることが防止され、よって電力が確実に供給される、と示されている。特許文献２は、電磁誘導方式の非接触給電機構により移動体に給電する一構成例を示している。

特表２００９−５３１００９号公報特開平５−３４４６０３号公報

ところで、特許文献１の技術は、非接触給電における電極の構造などを開示しているが、リニアモータ装置に給電するための具体的な構成を開示するものではない。また、特許文献２に限らず一般的に、電磁誘導方式の非接触給電機構をリニアモータ装置に適用すると、推進力の発生に干渉して影響を及ぼす懸念が生じる。周知のように、リニアモータ装置では軌道部材および移動体の一方にコイル、他方に磁石を配置し、コイルに通電したときに発生する推進用磁界と磁石との間に発生する磁気力を推進力に利用している。このため、電磁誘導方式の非接触給電機構を併用すると、非接触給電でも給電用磁界が発生して推進用磁界に干渉し、良好な推進力を得られなくなる。さらに、給電用磁界が推進用磁界の干渉を受けて良好な給電を行えなくなる。このような磁界の相互干渉を回避するために、推進用コイルおよび給電用コイルの大きさを限定しかつ離隔して配置することはできるが、リニアモータの推進力や非接触給電の給電容量が制約されてしまう。

また、前述したように、従来の接触給電機構である給電用ケーブルでは繰り返し変形による金属疲労のおそれがあり、摺動給電部でも摩耗などのおそれがあった。これらのおそれを解消して長期の使用に耐える高い信頼性を確保するために、接触給電機構は高価になっていた。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、大きな給電容量および高い給電効率でリニアモータ装置の移動体に設けられたコイルへの非接触給電を行え、かつ非接触給電が推進力の発生に影響を及ぼすことのないコスト低廉な非接触給電装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る非接触給電装置の発明は、移動方向に延在する軌道部材と、前記軌道部材に移動可能に装架された移動体と、前記軌道部材の前記移動方向に列設された複数の磁石と、前記移動体に設けられ電流が通電されると前記磁石との間に前記移動方向の推進力を発生するコイルと、を備えたリニアモータ装置の前記コイルに非接触で給電する非接触給電装置であって、前記軌道部材の前記移動方向に延在する給電用電極板、および前記移動体に設けられ前記給電用電極板に離隔して対向する受電用電極板をそれぞれ有し、前記給電用電極板と前記受電用電極板との間に形成される電界を介して高周波電力の非接触給電を可能とする２組の非接触給電部と、２つの給電用電極板の間に高周波電力を給電する高周波電源部と、前記移動体に設けられ、２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を変成して前記コイルに給電する電力変成部と、を備え、前記給電用電極板が前記軌道部材の前記複数の磁石よりも前記移動体に近い表面側に配置され、前記受電用電極板が前記移動体の前記コイルよりも前記軌道部材に近い表面側に配置されている。

請求項２に係る発明は、移動方向に延在する軌道部材と、前記軌道部材に移動可能に装架された移動体と、前記軌道部材の前記移動方向に列設された複数の磁石と、前記移動体に設けられ電流が通電されると前記磁石との間に前記移動方向の推進力を発生するコイルと、を備えたリニアモータ装置の前記コイルに非接触で給電する非接触給電装置であって、前記軌道部材の前記移動方向に延在する給電用電極板、および前記移動体に設けられ前記給電用電極板に離隔して対向する受電用電極板をそれぞれ有し、前記給電用電極板と前記受電用電極板との間に形成される電界を介して高周波電力の非接触給電を可能とする２組の非接触給電部と、２つの給電用電極板の間に高周波電力を給電する高周波電源部と、前記移動体に設けられ、２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を変成して前記コイルに給電する電力変成部と、を備え、前記移動体の両方の側面および底面が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に離隔して対向しており、前記受電用電極板が前記移動体の両方の側面および底面に配置され、前記給電用電極板が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に配置されている。

請求項３に係る発明は、請求項１において、前記移動体の両方の側面および底面が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に離隔して対向しており、前記受電用電極板が前記移動体の両方の側面および底面に配置され、前記給電用電極板が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に配置されている。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記給電用電極板および前記受電用電極板は、導電性を有する常磁性材料で形成されている。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記高周波電源部と前記２組の非接触給電部と前記電力変成部とにより形成される閉回路内に設けられ、前記閉回路のインピーダンスを最小に調整するインピーダンス調整素子をさらに備える。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記電力変成部は、前記２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を直流電力に変換する高周波直流変換部と、前記移動体に要求される移動速度に応じ前記直流電力を周波数可変の交流電力に変換して前記コイルに給電する直流交流変換部とを有する。

請求項７に係る発明は、請求項６において、前記移動体に設けられて前記高周波直流変換部から出力される直流電力の一部で駆動され、前記直流交流変換部を制御する移動制御部をさらに備える。

請求項１に係る非接触給電装置の発明では、給電用電極板および受電用電極板をそれぞれ有する２組の非接触給電部と、２つの給電用電極板の間に高周波電力を給電する高周波電源部と、２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を変成してコイルに給電する電力変成部と、により電界結合方式の非接触給電機構が構成される。非接触給電機構では、非接触給電部がコンデンサになって電界が形成されるが、磁界は発生しないので、コイルと磁石との間に発生する推進力に影響を及ぼすことがない。また、非接触給電機構はコイルおよび磁石が発生する磁界と相互に干渉しないので、給電用電極板および受電用電極板の大きさ、形状および配置を自由に設計でき、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

さらに、従来技術において高い信頼性を確保するために高価になっていた給電用ケーブルや摺動給電部を無くすことができ、給電装置のコストを低廉にできる。
また、給電用電極板が軌道部材の複数の磁石よりも移動体に近い表面側に配置され、受電用電極板が移動体のコイルよりも軌道部材に近い表面側に配置されている。したがって、給電用電極板と受電用電極板とで構成されるコンデンサの電極間距離が小さくなって静電容量が増加し、大きな電流を流して大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項２に係る発明では、受電用電極板が移動体の両方の側面および底面に配置され、給電用電極板が軌道部材の両方の内側面および内底面に配置されている。これにより、給電用電極板と受電用電極板との対向面積が大きくなり、両者で構成されるコンデンサの静電容量が増加し、大きな電流を流して大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項３に係る発明では、請求項１および請求項２に係る発明を組み合わせることによって、給電用電極板と受電用電極板とで構成されるコンデンサの電極間距離が小さくなるとともに対向面積が大きくなる。これによれば、両者で構成されるコンデンサの静電容量が増加し、大きな電流を流して大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項４に係る発明では、給電用電極板および受電用電極板は、導電性を有する常磁性材料で形成されている。したがって、給電用電極板および受電用電極板に対してコイルおよび永久磁石の磁界が鎖交しても循環電流や渦電流が流れることはなく、磁界を打ち消したりする作用が生じることもない。つまり、リニア駆動機構と非接触給電機構との相互干渉を確実に回避できる。

請求項５に係る発明では、インピーダンス調整素子は、高周波電源部と２組の非接触給電部と電力変成部とにより形成される閉回路のインピーダンスを最小に調整する。したがって、閉回路では直列共振が発生して大きな電流が流れ、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項６に係る発明では、電力変成部は、２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を直流電力に変換する高周波直流変換部と、移動体に要求される移動速度に応じ直流電力を周波数可変の交流電力に変換してコイルに給電する直流交流変換部とを有する。移動体の移動速度を調整するためにはコイルに給電する交流電力の周波数を調整する必要があり、給電用ケーブルあるいは摺動給電部を用いた従来技術では、直流交流変換部が固定側に設けられていた。非接触給電機構では高周波による給電が必須となるため、本態様では高周波直流変換部および直流交流変換部を移動体側に備え、従来技術と同様の移動速度の調整を実施できる。

また、電力変成部は、非接触給電に必要とされる受電側の周波数変換機能、および移動速度の調整に必要とされる周波数変換機能を兼ねており、これによって非接触給電装置のコストを低廉にできる。

請求項７に係る発明では、移動体側に直流交流変換部を制御する移動制御部を備えている。従来技術では、直流交流変換部および移動制御部は固定側に設けられており、周波数を調整した交流電力が給電用ケーブルまたは摺動給電部を介して移動体に給電されていた。しかしながら、非接触給電機構では高周波による給電が必須となり、直流交流変換部を移動体側に備えることになる。ここで、移動制御部を固定側に残しておくと、無線通信などを用いて非接触で周波数の調整指令を移動体側の直流交流変換部に発信する必要が生じ、装置構成が複雑化する。したがって、高周波直流変換部から出力される直流電力の一部で駆動される移動制御部を移動体側に備えることで、装置構成を簡素化してコストを低廉にできる。

実施形態の非接触給電装置を組み込んだリニアモータ装置のレール(軌道部材)および移動体の構造を模式的に示す移動方向に垂直な断面図である。実施形態の非接触給電装置のコイルへの給電方法を説明する等価回路図である。実施形態の非接触給電装置１における電力の流れおよび各部の機能構成を説明する機能ブロック図である。従来のリニアモータ装置における電力の流れおよび各部の機能構成を説明する機能ブロック図である。従来のリニアモータ装置の構成を模式的に説明する説明図である。

実施形態の説明に先立ち、まず一般的な従来のリニアモータ装置９について説明する。図５は、従来のリニアモータ装置９の構成を模式的に説明する説明図である。リニアモータ装置９は、レール９１、移動体９２、複数の磁石９３、複数のコイル９４、および給電用ケーブル９５などにより構成されている。

レール９１は、移動体９２の移動方向に延在する軌道部材であり、図５では白抜き矢印で示される移動方向Ｍに沿い左前側から右奥側へと延在している。レール９１は、底板９１１と両方の側板９１２、９１３が一体となって形成されており、移動方向に直交する断面形状は上方に開口する溝形状となっている。移動体９２は、概ね箱形状であり、レール９１に移動可能に装架され、レール９１の溝形状部分に離隔して嵌まり込んでいる。移動体９２の装架構造は、例えば、レール９１の上方に図略の懸架レールを設けて移動体９２を懸架するように構成できる。また、例えば、移動体９２の底面に下向きに走行用車輪を設け、レール９１の底板９１１の上面を走行するように構成してもよい。移動体９２の両方の側面および底面は、レール９１の両方の側板９１２、９１３の内側面９１２ｉ、９１３ｉおよび底板９１１の内底面９１１iに離隔して対向している。

複数の磁石９３は、レール９１の両方の側板９１２、９１３の内側面９１２ｉ、９１３ｉに列設され、移動方向に沿いＮ極およびＳ極が交互に配置されている。磁石９３には永久磁石を用いることができ、あるいは直流で励磁される電磁石を用いてもよい。複数のコイル９４は、移動体９２の内部の両方の側面寄りにそれぞれ複数個ずつ設けられている。各コイル９４は、図には省略されている鉄心を備え、通電されたとき鉄心に誘起される磁極がレール９１側の磁石９３に対向するように配置されている。本実施形態において、コイル９４は、各側面寄りにそれぞれ３の倍数個ずつ設けられて三相結線されており、三相電源により通電される。

給電用ケーブル９５は、レール９１側から移動体９２側へと配設され、電力変成部９６（図４参照）から移動体９２の各コイル９４に電流を通電する（給電する）ように接続されている。コイル９４に通電される電流は移動制御部９７（図４参照）によって制御され、コイル９４が形成する磁界と磁石９３との間には磁気力が発生する。この磁気力が推進力となって、移動体９２をレール９１の移動方向に推進する。移動体９２が移動するのに追従して、給電用ケーブル９５は変形して給電を継続する。

従来のリニアモータ装置９では、給電用ケーブル９５がフレキシブルに変形して移動体９２の移動を妨げず、かつ図略の他の部材に抵触しないようにする必要があった。さらに、繰り返し変形による金属疲労への対策も必要であるため、給電用ケーブル９５は構成が複雑化して高価となり、リニアモータ装置９のコストを増加させる要因となっていた。

次に、給電用ケーブル９５に代えて、実施形態の非接触給電装置１を組み込んだリニアモータ装置１Ａについて説明する。図１は、実施形態の非接触給電装置１を組み込んだリニアモータ装置１Ａのレール２(軌道部材)および移動体３の構造を模式的に示す移動方向に垂直な断面図である。また、図２は、実施形態の非接触給電装置１のコイル５への給電方法を説明する等価回路図である。リニアモータ装置１Ａは、軌道部材に相当するレール２、移動体３、複数の磁石４、複数のコイル５などで構成されており、図５に示された従来装置のレール９１、移動体９２、磁石９３、およびコイル９４と類似しており、寸法諸元が変更される程度なので詳細な説明は省略する。また、非接触給電装置１は、２組の非接触給電部６１、６２、高周波電源部７、および電力変成部８などで構成されている。

２組の非接触給電部６１、６２は、図１に示されるようにレール２の幅方向の中心線ＣＬを挟んで対称に配設されており、第１非接触給電部６１を代表にして詳述する。図１の左側に配設された第１非接触給電部６１は、第１給電用電極板６１Ａおよび第１受電用電極板６１Ｂで構成されている。２つの電極板６１Ａ、６１Ｂは、導電性を有する常磁性材料で形成されている。常磁性材料としては、鉄およびニッケルなどの強磁性金属以外の大多数の金属材料のいずれか、例えば、銅やアルミニウムを用いる。

第１給電用電極板６１Ａは、レール２の一方の側板２２の内側面２２ｉのほぼ全面および底板２１の内底面２１ｉの半分弱を覆うように断面Ｌ字形状とされ、レール２の移動方向の全長にわたり延在している。さらに、第１給電用電極板６１Ａは、一方の側板２２の内側面２２ｉに列設された磁石４よりも移動体３に近い表面側に配置されている。一方、第１受電用電極板６１Ｂは、移動体３の一方の側面３２のほぼ全面および底面３１の半分弱を覆うように断面Ｌ字形状とされ、移動体３の移動方向の全長にわたり延在している。さらに、第１受電用電極板６１Ｂは、移動体３の一方の側面３２の内側に設けられたコイル５よりもレール２に近い表面側に配置されている。第１給電用電極板６１Ａと第１受電用電極板６１Ｂは、わずかな距離ｄを有して対向し、電気的には平行板コンデンサＣ１になっている。

同様に、図１の右側に配設された第２非接触給電部６２は、第２給電用電極板６２Ａおよび第２受電用電極板６２Ｂで構成され、電気的には平行板コンデンサＣ２になっている。第１給電用電極板６１Ａと第２給電用電極板６２Ａとの間、および第１受電用電極板６１Ｂと第２受電用電極板６２Ｂとの間は、中心線ＣＬの付近でわずかに離隔しており、電気的に絶縁されている、２つの平行板コンデンサＣ１、Ｃ２は概ね同形であり、静電容量Ｃａｐも概ね等しくなっている。

高周波電源部７は固定側に設けられており、図２に示されるように、交流電源７１および交流高周波変換部７２が接続されて構成されている。交流電源７１には、例えば一般的な商用周波数ｆａｃ（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の電源を用いる。交流高周波変換部７２には、例えばインバータを用い、商用周波数ｆａｃの交流電力Ｐａｃを高周波数ｆｈｆの高周波電力Ｐｈｆに変換して出力する。交流高周波変換部７２の出力端子の一方は第１給電用電極板６１Ａに接続され、出力端子の他方は第２給電用電極板６２Ａに接続されており、両電極板６１Ａ、６２Ａの間に高周波電力Ｐｈｆが給電される。高周波電力Ｐｈｆの高周波数ｆｈｆは１００ｋＨｚ〜ＭＨｚ帯を例示でき、電圧波形として正弦波や矩形波などを例示できる。

電力変成部８は、移動体３に設けられ、第１および第２受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂに非接触給電された高周波電力Ｐｈｆを変成してコイル５に給電する。電力変成部８は、高周波直流変換部８１および直流交流変換部８２で構成されている。高周波直流変換部８１および直流交流変換部８２には、例えばインバータを用いることができる。高周波直流変換部８１の一方の入力端子は第１受電用電極板６１Ｂに接続され、他方の入力端子は第２受電用電極板６２Ｂに接続されている。高周波直流変換部８１の出力端子は、直流交流変換部８２および移動制御部８５に並列接続されている。高周波直流変換部８１は、第１および第２受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂに非接触給電された高周波電力Ｐｈｆを一旦直流電力Ｐｄｃに変換して出力する。

直流交流変換部８２は、高周波直流変換部８１から出力される直流電力Ｐｄｃを受け取り、周波数可変の交流電力Ｐｃｏｉｌに変換する。直流交流変換部８２の出力端子は、すべてのコイル５を対象にして三相接続されている。交流電力Ｐｃｏｉｌの交流周波数ｆｃｏｉｌは、１００Ｈｚ程度以下を例示できる。なお、非接触給電部６１、６２の高周波数ｆｈｆとコイル５の交流周波数ｆｃｏｉｌは桁が大きく異なるため、直流を経由して周波数変換を行うことは必須となる。

さらに、移動体３側には、高周波直流変換部７１から出力される直流電力Ｐｄｃの一部で駆動される移動制御部８５が設けられている。移動制御部８５は、移動体３に要求される移動速度に応じた周波数制御信号Ｓｃを直流交流変換部８２に発信し、コイル５に給電される交流電力Ｐｃｏｉｌの交流周波数ｆｃｏｉｌを制御する。

上述した高周波電源部７と２組の非接触給電部６１、６２と電力変成部８とにより、電気的な閉回路Ｌｏｏｐが形成される。閉回路Ｌｏｏｐの途中の２箇所、すなわち、交流高周波変換部７２と第１給電用電極板６１Ａとの間、および交流高周波変換部７２と第２給電用電極板６２Ａとの間にインピーダンス調整素子７５、７６が直列接続されている。インピーダンス調整素子７５、７６には、例えば、インダクタンスＬが固定値または調整可能な誘導素子を用いることができる。

インダクタンスＬの具体的な値は、閉回路Ｌｏｏｐ内のインピーダンスが最小になるように定める。つまり、高周波数ｆｈｆの高周波電圧を閉回路Ｌｏｏｐに印加したときに、２組の非接触給電部６１、６２（平行板コンデンサＣ１、Ｃ２）の静電容量Ｃａｐとインピーダンス調整素子７５、７６のインダクタンスＬとが直列共振するように定める。これにより、閉回路Ｌｏｏｐ内に流れる高周波電流を最大化できる。ここで、直列共振の発生条件は、閉回路Ｌｏｏｐ内の漂遊容量Ｃｆおよび漂遊インダクタンスＬｆなどの影響を受ける。したがって、インピーダンス調整素子７５、７６のインダクタンスＬの値は、予め実験やシミュレーションを行って決定するようにしてもよく、リニアモータ装置１ごとに個別に調整して最適化するようにしてもよい。

次に、実施形態のリニアモータ装置１の給電作用について説明する。周知のように平行板コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量Ｃａｐは次式で表される。
Ｃａｐ＝ε・Ｓ／ｄ
ただし、εは給電用電極板６１Ａ（６２Ａ）と受電用電極板６１Ｂ（６２Ｂ）との間の空間の誘電率、Ｓは給電用電極板６１Ａ（６２Ａ）と受電用電極板６１Ｂ（６２Ｂ）との対向面積、ｄは給電用電極板６１Ａ（６２Ａ）と受電用電極板６１Ｂ（６２Ｂ）との距離ｄ（図１参照）である。そして、閉回路Ｌｏｏｐに流れる高周波電流は、概ね静電容量Ｃａｐに比例する。

ここで、静電容量Ｃａｐを大きくするために対向面積Ｓを大きくすることが効果的であり、式からわかるように比例関係の効果が生じる。本実施形態では、図１に示されるように、レール２と移動体３とが対向するほぼ全領域に給電用電極板６１Ａ、６２Ａおよび受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂを配置している。したがって、対向面積Ｓが最大化され、静電容量Ｃａｐも最大化されている。なお、誘電率εを大きくし、あるいは距離ｄを小さくすることによっても静電容量Ｃａｐを大きくできるが、誘電率εや距離ｄの変更は製造技術上の制約や安定動作の制約があり難しい。

以上説明した構成で、高周波電源部７から第１および第２給電用電極板６１Ａ、６２Ａの間に高周波数ｆｈｆの高周波電圧を印加すると、閉回路Ｌｏｏｐに高周波電流が流れる。このとき、静電容量Ｃａｐが最大化され、かつインピーダンス調整素子７５，７６の作用による直列共振が発生するため、高周波電流は大きなものとなる。したがって、高周波電流が入力された高周波直流変換部８１は、大きな直流電力Ｐｄｃを出力する。さらに、直流電力Ｐｄｃが入力された直流交流変換部８２は、移動制御部８５からの制御信号Ｓｃにしたがい、コイル５に交流電力Ｐｃｏｉｌを給電し、必要に応じて大きな交流電力Ｐｃｏｉｌを給電できる。このようにして、電界結合方式の非接触給電が行われる。

次に、実施形態における電力の流れおよび機能構成について、従来と比較して説明する。図３は、実施形態の非接触給電装置１における電力の流れおよび各部の機能構成を説明する機能ブロック図である。また、図４は、従来のリニアモータ装置９における電力の流れおよび各部の機能構成を説明する機能ブロック図である。図３および図４で、白抜き矢印により電力の流れが示され、破線の矢印によりコイル５に給電される交流電力Ｐｃｏｉｌの周波数制御信号Ｓｃが示されている。

実施形態の図３において、固定側に高周波電源部７の交流電源７１および交流高周波変換部７２が設けられている。交流高周波変換部７２は交流電源７１の商用周波数ｆａｃを一旦直流（ＤＣ）に変換し、さらに直流（ＤＣ）を高周波数ｆｈｆに変換している。一方、移動体３側に電力変成部８の高周波直流変換部８１および直流交流変換部８２が設けられている。高周波直流変換部８１は高周波数ｆｈｆを直流（ＤＣ）に変換し、直流交流変換部８２は直流（ＤＣ）を交流周波数ｆｃｏｉｌに変換している。単純化して言えば、実施形態では４回の周波数変換を実施している。

これに対し従来構成の図４において、固定側に交流電源７１および電力変成部９６が設けられている。電力変成部９６は、交流電源７１の商用周波数ｆａｃを一旦直流（ＤＣ）に変換し、さらに直流（ＤＣ）を交流周波数ｆｃｏｉｌに変換している。単純化して言えば、従来構成では２回の周波数変換を実施している。

また、実施形態で移動制御部８５は移動体３側に設けられ、高周波直流変換部８１から出力される直流電力Ｐｄｃの一部で駆動される。これに対し、従来構成で移動制御部９７は固定側に設けられ、電力変成部９６の途中から出力される直流（ＤＣ）で駆動される。双方の移動制御部８５、９７の機能は、移動体３、９２に要求される移動速度に応じて周波数制御信号Ｓｃを発信する点で大きな差は無い。実施形態においては、コイル５に給電する交流周波数ｆｃｏｉｌを移動体３側の直流交流変換部８２で生成するので、移動制御部８５も移動体３側に設けることが好ましい。

実施形態の非接触給電装置１によれば、２組の非接触給電部６１、６２、高周波電源部７、および電力変成部８により非接触給電機構が構成される。この非接触給電機構では、非接触給電部６１、６２がコンデンサになって電界が形成されるが、磁界は発生しないので、コイル５と磁石４との間に発生する推進力に影響を及ぼすことがない。また、非接触給電機構はコイル５および磁石４が発生する磁界と相互に干渉しないので、給電用電極板６１Ａ、６２Ａおよび受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂの大きさ、形状および配置を自由に設計でき、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

特に、給電用電極板６１Ａ、６２Ａが磁石４よりも移動体３に近い表面側に配置され、受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂがコイル５よりもレール２に近い表面側に配置され、かつ、レール２と移動体３とが対向するほぼ全領域に給電用電極板６１Ａ、６２Ａおよび受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂが配置されている。加えて、インピーダンス調整素子７５、７６は、高周波電源部７と２組の非接触給電部６１、６２と電力変成部８とにより形成される閉回路Ｌｏｏｐのインピーダンスを最小に調整する。したがって、給電用電極板６１Ａ、６２Ａと受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂとで構成される平行板コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量Ｃａｐは極めて大きくなり、かつ閉回路Ｌｏｏｐで直列共振が発生するため、極めて大きな電流が流れ、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

さらに、本実施形態では、周波数変換を行う回数は増加するが、それ以上に高価な給電用ケーブル９５を無くすコスト低減効果が大きく、非接触給電装置１のコストを低廉にできる。

また、電力変成部８は、非接触給電に必要とされる周波数変換機能、および移動速度の調整に必要とされる周波数変換機能を兼ねている。加えて、高周波直流変換部８２から出力される直流電力Ｐｄｃの一部で駆動される移動制御部８５を移動体側に備えて装置構成を簡素化している。これらの総合的な効果で、非接触給電装置１のコストを低廉にできる。

なお、移動体３側の高周波直流変換部８１の出力端子に、直流交流変換部８２および移動制御部８５以外の負荷を並列接続することもできる。例えば、リニアモータ装置１Ａを部品実装機で用いる場合、移動体となる部品実装ヘッドには部品実装作業用のモータなどの負荷が搭載されている。これらの負荷を高周波直流変換部８１の出力端子に並列接続すれば、非接触給電を行うことができる。また、固定側の交流電源７１は直流電源に置き換えることも可能である。

なお、レール２側で給電用電極板６１Ａ、６２Ａよりも表面側に磁石４を配置し、移動体３側で受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂよりも表面側にコイル５を配置して、大きな磁気力を優先することも原理的には可能である。しかしながら、給電用電極板６１Ａ、６２Ａと受電用電極板６１Ｂ、６２Ｂとの距離ｄが増加し、距離ｄに概ね反比例して静電容量Ｃａｐおよび供給容量が減少するため効果的とは言えない。また、インピーダンス調整素子７５、７６を設けずとも非接触給電自体は行えるが、供給容量の増加および供給効率の向上の観点から設けることが好ましい。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

１：非接触給電装置
１Ａ：リニアモータ装置
２：レール(軌道部材)
２１：底板２１ｉ：内底面
２２：側板２２ｉ：内側面
３：移動体３１：底面３２：側面
４：磁石
５：コイル
６１：第１非接触給電部
６１Ａ：第１給電用電極板６１Ｂ：第１受電用電極板
６２：第２非接触給電部
６２Ａ：第２給電用電極板６２Ｂ：第２受電用電極板
７：高周波電源部
７５、７６：インピーダンス調整素子
８：電力変成部
８１：高周波直流変換部８２：直流交流変換部
８５：移動制御部
９：従来のリニアモータ装置
９１：レール９２：移動体９３：磁石９４：コイル
９５：給電用ケーブル９６：電力変成部９７：移動制御部
Ｃ１、Ｃ２：平行板コンデンサｄ：距離Ｌｏｏｐ：閉回路
Ｐａｃ：交流電力Ｐｈｆ：高周波電力Ｐｄｃ：直流電力
Ｐｃｏｉｌ：交流電力

Claims

移動方向に延在する軌道部材と、前記軌道部材に移動可能に装架された移動体と、前記軌道部材の前記移動方向に列設された複数の磁石と、前記移動体に設けられ電流が通電されると前記磁石との間に前記移動方向の推進力を発生するコイルと、を備えたリニアモータ装置の前記コイルに非接触で給電する非接触給電装置であって、
前記軌道部材の前記移動方向に延在する給電用電極板、および前記移動体に設けられ前記給電用電極板に離隔して対向する受電用電極板をそれぞれ有し、前記給電用電極板と前記受電用電極板との間に形成される電界を介して高周波電力の非接触給電を可能とする２組の非接触給電部と、
２つの給電用電極板の間に高周波電力を給電する高周波電源部と、
前記移動体に設けられ、２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を変成して前記コイルに給電する電力変成部と、を備え、
前記給電用電極板が前記軌道部材の前記複数の磁石よりも前記移動体に近い表面側に配置され、前記受電用電極板が前記移動体の前記コイルよりも前記軌道部材に近い表面側に配置されている非接触給電装置。
移動方向に延在する軌道部材と、前記軌道部材に移動可能に装架された移動体と、前記軌道部材の前記移動方向に列設された複数の磁石と、前記移動体に設けられ電流が通電されると前記磁石との間に前記移動方向の推進力を発生するコイルと、を備えたリニアモータ装置の前記コイルに非接触で給電する非接触給電装置であって、
前記軌道部材の前記移動方向に延在する給電用電極板、および前記移動体に設けられ前記給電用電極板に離隔して対向する受電用電極板をそれぞれ有し、前記給電用電極板と前記受電用電極板との間に形成される電界を介して高周波電力の非接触給電を可能とする２組の非接触給電部と、
２つの給電用電極板の間に高周波電力を給電する高周波電源部と、
前記移動体に設けられ、２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を変成して前記コイルに給電する電力変成部と、を備え、
前記移動体の両方の側面および底面が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に離隔して対向しており、前記受電用電極板が前記移動体の両方の側面および底面に配置され、前記給電用電極板が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に配置されている非接触給電装置。
請求項１において、前記移動体の両方の側面および底面が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に離隔して対向しており、前記受電用電極板が前記移動体の両方の側面および底面に配置され、前記給電用電極板が前記軌道部材の両方の内側面および内底面に配置されている非接触給電装置。
請求項１〜３のいずれか一項において、前記給電用電極板および前記受電用電極板は、導電性を有する常磁性材料で形成されている非接触給電装置。
請求項１〜４のいずれか一項において、前記高周波電源部と前記２組の非接触給電部と前記電力変成部とにより形成される閉回路内に設けられ、前記閉回路のインピーダンスを最小に調整するインピーダンス調整素子をさらに備える非接触給電装置。
請求項１〜５のいずれか一項において、前記電力変成部は、前記２つの受電用電極板に非接触給電された高周波電力を直流電力に変換する高周波直流変換部と、前記移動体に要求される移動速度に応じ前記直流電力を周波数可変の交流電力に変換して前記コイルに給電する直流交流変換部とを有する非接触給電装置。
請求項６において、前記移動体に設けられて前記高周波直流変換部から出力される直流電力の一部で駆動され、前記直流交流変換部を制御する移動制御部をさらに備える非接触給電装置。