JP6126883B2 - フィルタ装置およびこれを用いたロボットの給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルタ装置およびこれを用いたロボットの給電装置に関する。

従来、工場などの幅広い設備において、ロボットをはじめとする機器が用いられている。このような機器は、各要素を駆動するための駆動用の電力と、各要素を制御するための制御用の信号とが必要となる。そのため、機器を用いる設備では、電力のための配線と、信号のための配線とが必要となる。一方、このような設備の立ち上げおよび保守の省力化を図るためには、これら配線は可能な限り低減することが求められる。そこで、電力や信号のための配線の無線化（特許文献１参照）、および電力と信号との重畳が提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、電力や信号の無線化や重畳は、通信エラーやノイズの放射を招くという問題がある。このような通信エラーやノイズの放射は、機器の停止にともなう稼働率の低下を招く原因となる。そのため、重畳された複数のチャネルの電力や信号を精度よく分離するフィルタ装置が必要となる。一方、チャネル数の増加にともなって信号を分離するためのフィルタの数が増加し、各フィルタの特性をチャネルに応じて調整する必要が生じる。

特開２０１１−２４４５３３号公報 特開２００７−２３５７９８号公報

そこで、本発明の目的は、フィルタ特性の変更が容易なフィルタ装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、電力および信号を重畳し無線化した場合でも、電磁波の放射が無く、制御信号が安定して伝送されるロボットの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、電力の供給側の第一コイルセグメントと負荷側の第二コイルセグメントとは非接触で対向している。そして、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの間は、磁界共鳴が生じる。第一コイルセグメントに所定の高周波を印加すると、磁界共鳴によって第二コイルセグメントのインピーダンスが低下し、第一コイルセグメントから第二コイルセグメントへ非接触で高周波の電力が伝送される。磁界共鳴は、一対の第一コイルセグメントおよび第二コイルセグメントの間において、共通した特定の周波数帯域、すなわち磁界共鳴で発生する二つの共振周波数の帯域幅で生じる。そのため、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの間の磁界共鳴を利用することにより、特定の周波数帯のみの通過が許容される。すなわち、磁界共鳴を利用する第一コイルセグメントおよび第二コイルセグメントは、フィルタとして機能する。また、磁界共鳴を利用することにより、ノイズの原因となる電磁波は放射されない。さらに、第一コイルセグメントから第二コイルセグメントへ伝送される高周波のバンド幅は、対向する第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの距離、および第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの間の共振周波数によって変化する。そのため、これら第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの離間距離を変えるだけで位置が変更されるとともに、第一コイルセグメントおよび第二コイルセグメントの巻き数やコンデンサ容量を変えるだけで磁界共鳴の共振周波数が変更される。これにより、第一コイルセグメントから第二コイルセグメントへ伝送される信号の周波数のバンド幅は容易に変更される。したがって、電磁波の放射を招くことなく、フィルタの特性を容易に調整することができる。すなわち、請求項１記載の発明では、第一コイルセグメントおよび第二コイルセグメントを用いて磁界共鳴を利用している。このように磁界共鳴を利用する場合、各コイルセグメント間の距離、巻数およびコンデンサの容量などの変更は容易である。その結果、磁界共鳴を利用したフィルタは、これら各コイルセグメント間の距離、巻数およびコンデンサの容量などを変更することにより、通過が許容される周波数が容易に変更される。したがって、フィルタの特性を容易に調整することができる。

ロボットの給電装置は、送電コイルユニットから受電コイルユニットへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する。そのため、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間では、ノイズの原因となる電磁波の放射が低減される。そして、この送電コイルユニットおよび受電コイルユニットは、各電力伝送経路に請求項１のフィルタ装置を備えている。そのため、受電コイルユニット側では、複数の周波数からなる高周波がフィルタ装置によって分離される。一方、送電コイルユニット側では、複数の周波数からなる高周波がフィルタ装置によって混信が低減される。したがって、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間を無線化した場合でも、電磁波の放射を低減することができるとともに、制御信号を安定して伝送することができる。

一実施形態によるフィルタ装置を適用した給電装置の電気的な回路を示す概略図 一実施形態によるフィルタ装置を適用した給電装置の送電コイルユニットおよび受電コイルユニットを示す模式図 一実施形態によるフィルタ装置を示す模式図 一実施形態によるフィルタ装置の周波数と通過特性との関係を示す概略図 一実施形態によるフィルタ装置の第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの間隔と、バンド幅との関係を示す概略図 一実施形態によるフィルタ装置において、周波数ごとの特性を示す概略図 一実施形態によるフィルタ装置を適用したロボットの給電装置の電気的な回路を示す概略図

以下、フィルタ装置およびこれを用いたロボットの給電装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（フィルタ装置）
まず、図１に基づいてフィルタ装置の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態によるフィルタ装置を適用した給電装置１０の電気的な回路図の例を示す。給電装置１０は、電源側の送電ユニット１１、および負荷側の受電ユニット１２を備える。送電ユニット１１は、周波数の異なる電源１３および電源１４に接続している。送電ユニット１１は、これら電源１３および電源１４から電力の供給を受ける。本実施形態の場合、電源１３は２ＭＨｚの高周波電源であり、電源１４は５ＭＨｚの高周波電源である。送電ユニット１１は、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２に示すように平板状の基板１６に平面状のコイル１７が設けられている。コイル１７は、例えば銅線、銅板あるいは銅のプリント配線などによって平面状に形成されている。

送電ユニット１１は、図１に示すように電源１３および電源１４に対応してフィルタ装置１８およびフィルタ装置１９を有している。すなわち、フィルタ装置１８は、電源１３と送電コイルユニット１５との間に接続されている。また、フィルタ装置１９は、電源１４と送電コイルユニット１５との間に接続されている。送電コイルユニット１５とフィルタ装置１８およびフィルタ装置１９との間には、コンデンサ２１が挿入されている。これにより、送電コイルユニット１５のコイル１７とコンデンサ２１とによって、共振回路が構成される。

受電ユニット１２は、異なる周波数で駆動する負荷２３および負荷２４に接続している。本実施形態の場合、負荷２３は、２ＭＨｚの電源１３に対応する２ＭＨｚで駆動する負荷である。また、負荷２４は、５ＭＨｚの電源１４に対応する５ＭＨｚで駆動する負荷である。受電ユニット１２は、受電コイルユニット２５を有している。受電コイルユニット２５は、図２に示すように送電コイルユニット１５と同様の平板状の基板２６に平面状のコイル２７が設けられている。送電ユニット１１の送電コイルユニット１５と受電ユニット１２の受電コイルユニット２５とは、互いに非接触で対向している。送電コイルユニット１５において基板１６に設けられているコイル１７と、受電コイルユニット２５において基板２６に設けられているコイル２７とは、正対している。送電ユニット１１の電源１３および電源１４から供給された高周波の電力は、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２５との間の磁界共鳴によって非接触で受電ユニット１２に接続された負荷２３および負荷２４へ伝送される。

受電ユニット１２は、図１に示すように負荷２３および負荷２４に対応してフィルタ装置２８およびフィルタ装置２９を有している。すなわち、フィルタ装置２８は、受電コイルユニット２５と負荷２３との間に接続されている。また、フィルタ装置２９は、受電コイルユニット２５と負荷２４との間に接続されている。受電コイルユニット２５とフィルタ装置２８およびフィルタ装置２９との間には、コンデンサ３１が挿入されている。これにより、受電コイルユニット２５のコイル２７とコンデンサ３１によって、共振回路が構成される。

上述のように送電ユニット１１の送電コイルユニット１５と受電ユニット１２の受電コイルユニット２５との間は、磁界共鳴によって非接触で電力が伝送される。送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２５とは、図２に示すように数ｃｍから十数ｃｍの隙間を形成して対向している。これにより、送電コイルユニット１５に高周波を印加すると、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２５との間に磁界共鳴が生じ、送電コイルユニット１５から受電コイルユニット２５へ電力が伝送される。

次に、フィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９について説明する。フィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９は、概略的な構成が同一である。ここでは、フィルタ装置１８を例に図３に基づいて説明する。フィルタ装置１８は、第一コイルセグメント４１および第二コイルセグメント４２を有している。第一コイルセグメント４１は、電力の供給側に接続される。一方、第二コイルセグメント４２は、電力の消費側に接続される。

第一コイルセグメント４１は、平板状の基板４３、および平板状のコイル４４を有している。同様に、第二コイルセグメント４２は、平板状の基板４５、および平板状のコイル４６を有している。これら第一コイルセグメント４１のコイル４４および第二コイルセグメント４２のコイル４６は、上述の送電コイルユニット１５および受電コイルユニット２５と同様に、銅線、銅板あるいは銅のプリント配線などによって平板状に形成されている。第一コイルセグメント４１のコイル４４は、図１に示すようにコンデンサ４７を挟んで接地されている。これにより、第一コイルセグメント４１のコイル４４とコンデンサ４７とは、共振回路を構成している。また、第二コイルセグメント４２のコイル４６は、コンデンサ４８を挟んで接地されている。これにより、第二コイルセグメント４２のコイル４６とコンデンサ４８とは、共振回路を構成している。

第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２とは、図３に示すように数ｃｍから十数ｃｍの隙間を形成して対向している。第一コイルセグメント４１において基板４３に設けられているコイル４４と、第二コイルセグメント４２において基板４５に設けられているコイル４６とは、正対している。第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間には、スペーサ４９が設けられている。このスペーサ４９は、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の距離を規定する。

第一コイルセグメント４１には、電源１３、１４や受電コイルユニット２５などの電力の供給側から数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波が印加される。そのため、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間には、上述の送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２５との間と同様に磁界共鳴が生じる。磁界共鳴は、第一コイルセグメント４１および第二コイルセグメント４２の共振特性によって、特定の周波数帯域でのみ生じる。すなわち、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の磁界共鳴を利用すると、フィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９では特定の周波数のみの通過が許容される。また、磁界共鳴を利用することにより、ノイズの原因となる電磁波は放射されない。さらに、第一コイルセグメント４１から第二コイルセグメント４２へ伝送される高周波のバンド幅および周波数は、対向する第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との距離、および第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の磁界共鳴における共振周波数などによって変化する。そのため、これら第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との距離、および第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の磁界共鳴における共振周波数を変更することにより、第一コイルセグメント４１から第二コイルセグメント４２へ伝送される信号の周波数、およびそのバンド幅は容易に変更される。第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の共振周波数は、例えば第一コイルセグメント４１のコイル４４または第二コイルセグメント４２のコイル４６の巻数、コンデンサ４７またはコンデンサ４８の容量などを変更することにより、容易に変化させることができる。

図１に示す給電装置１０の場合、フィルタ装置１８の第一コイルセグメント４１は電力の供給側である電源１３に接続され、フィルタ装置１９の第一コイルセグメント４１は電源１４に接続される。また、フィルタ装置１８およびフィルタ装置１９の場合、電力の消費側は、送電コイルユニット１５のコイル１７である。そのため、フィルタ装置１８の第二コイルセグメント４２およびフィルタ装置１９の第二コイルセグメント４２は、いずれも送電コイルユニット１５のコイル１７に接続される。

一方、フィルタ装置２８の第一コイルセグメント４１およびフィルタ装置２９の第一コイルセグメント４１は、いずれも電力の供給側である受電コイルユニット２５のコイル２７に接続される。また、フィルタ装置２８の第二コイルセグメント４２は電力の消費側である負荷２３に接続され、フィルタ装置２９の第二コイルセグメント４２は負荷２４に接続される。

次に、上記のフィルタ装置１８、１９、２８、２９の特性について説明する。
まず、５ＭＨｚの電源１４に接続されているフィルタ装置１９を例に説明する。対向する第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の距離を変更することにより、図４および図５に示すように磁界共鳴によって伝送される高周波の通過特性およびバンド幅は変化する。図４は、第一コイルセグメント１と第二コイルセグメント４２との間の距離と通過特性との関係を示している。図５は、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の距離と、バンド幅との関係を示している。これらの図４および図５から、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の距離が小さくなるほど、磁界共鳴によって通過する高周波の周波数帯域は急峻になる傾向にあることが分かる。

これらのフィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９を用いた場合、図１に示すように５ＭＨｚおよび２ＭＨｚの各周波数の電力が送電ユニット１１から受電ユニット１２へ伝送される。すなわち、フィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９を用いることにより、送電ユニット１１と受電ユニット１２の間では５ＭＨｚの高周波と２ＭＨｚの高周波とが重畳して伝送される。

送電ユニット１１の場合、電源１３と送電コイルユニット１５の間にフィルタ装置１８、電源１４と送電コイルユニット１５との間にフィルタ装置１９が挿入される。フィルタ装置１８は、２ＭＨｚの高周波の通過を許容するものの、５ＭＨｚの高周波の通過を阻止する。そのため、電源１４からの５ＭＨｚの高周波は、フィルタ装置１８によって２ＭＨｚの電源１３側への伝搬が阻止される。同様に、フィルタ装置１９は、５ＭＨｚの高周波の通過を許容するものの、２ＭＨｚの高周波の通過を阻止する。そのため、電源１３からの２ＭＨｚの高周波は、フィルタ装置１９によって５ＭＨｚの電源１４側への伝搬が阻止される。したがって、送電ユニット１１側では、電源１３および電源１４から異なる周波数の高周波を重畳する場合でも、混信を回避することができる。

一方、受電ユニット１２の場合、受電コイルユニット２５と負荷２３との間にフィルタ装置２８、受電コイルユニット２５と負荷２４との間にフィルタ装置２９が挿入される。フィルタ装置２８は、２ＭＨｚの高周波の通過を許容するものの、５ＭＨｚの高周波の通過を阻止する。そのため、受電コイルユニット２５で受電した高周波に重畳して含まれる５ＭＨｚの高周波は、フィルタ装置２８によって負荷２３側への伝搬が阻止される。同様に、フィルタ装置２９は、５ＭＨｚの高周波の通過を許容するものの、２ＭＨｚの高周波の通過を阻止する。そのため、受電コイルユニット２５で受電した高周波に重畳して含まれる２ＭＨｚの高周波は、フィルタ装置２９によって負荷２４側への伝搬が阻止される。したがって、受電ユニット１２側では、重畳された異なる周波数の高周波をフィルタ装置２８およびフィルタ装置２９によって分離することができる。

以上説明した給電装置１０の一実施形態では、電力の供給側の第一コイルセグメント４１と電力の消費側の第二コイルセグメント４２とは非接触で対向している。そして、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間は、磁界共鳴が生じる。第一コイルセグメント４１に所定の高周波を印加すると、磁界共鳴によって第二コイルセグメント４２のインピーダンスが低下し、第一コイルセグメント４１から第二コイルセグメント４２へ非接触で高周波の電力が伝送される。磁界共鳴は、一対の第一コイルセグメント４１および第二コイルセグメント４２の間において特定の周波数で生じる。すなわち、本実施形態の場合、フィルタ装置１８およびフィルタ装置２８では２ＭＨｚで磁界共鳴が生じ、フィルタ装置１９およびフィルタ装置２９では５ＭＨｚで磁界共鳴が生じる。そのため、第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２は、相互間の磁界共鳴を利用することにより、特定の周波数のみの通過を許容するフィルタとして機能する。また、磁界共鳴を利用することにより、ノイズの原因となる電磁波は放射されない。さらに、第一コイルセグメント４１から第二コイルセグメント４２へ伝送される高周波の周波数やバンド幅は、対向する第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との距離、および第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の共振周波数によって変化する。そのため、これら第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との距離、および第一コイルセグメント４１と第二コイルセグメント４２との間の磁界共鳴における共振周波数を変更することにより、第一コイルセグメント４１から第二コイルセグメント４２へ伝送される信号の周波数およびそのバンド幅は容易に変更される。したがって、電磁波の放射を招くことなく、フィルタの特性を容易に調整することができる。

（ロボットの給電装置への応用例）
次に、上述の給電装置１０をロボット５０へ適用する例について図７に基づいて説明する。
本実施形態の場合、ロボット５０は、負荷としてステッピングモータ５１を備える。給電装置１０は、このステッピングモータ５１の制御信号としての正転パルスおよび逆転パルスの変調に用いられる。２ＭＨｚの電源１３からは、正転のための正転パルスが変調されて出力される。また、５ＭＨｚの電源１４からは、逆転のための逆転パルスが変調されて出力される。ステッピングモータ５１は、負荷２３および負荷２４に相当する。

ロボット５０へ適用する場合でも、給電装置１０の電気的な構成は、図１と実質的に同一である。受電ユニット１２では、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９のステッピングモータ５１側にそれぞれ整流回路５２および整流回路５３を設けてもよい。このような給電装置１０を用いたロボット５０の場合、受電ユニット１２のフィルタ装置２８側から正転パルスが取り出される。また、受電ユニット１２のフィルタ装置２９側から逆転パルスが取り出される。

このようにロボット５０の給電装置１０に適用する場合、上述のようなフィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９を備えている。ロボット５０の給電装置１０は、送電ユニット１１から受電ユニット１２へ磁界共鳴を利用して電力を伝送する。そのため、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間では、ノイズの原因となる電磁波の放射が低減される。そして、この送電ユニット１１および受電ユニット１２は、各電力伝送経路にそれぞれフィルタ装置１８、フィルタ装置１９、フィルタ装置２８およびフィルタ装置２９を備えている。そのため、受電ユニット１２側では、複数の周波数からなる制御信号がフィルタ装置２８およびフィルタ装置２９によって分離される。一方、送電ユニット１１側では、複数の周波数からなる制御信号はフィルタ装置１８およびフィルタ装置１９によって混信が低減される。したがって、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間を無線化し、かつ周波数の異なる信号を重畳した場合でも、電磁波の放射を低減することができるとともに、制御信号を安定して伝送することができる。

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。
例えば、ロボット５０は、例えばレール状の固定された送電ユニット１１に沿って受電ユニット１２を備える可動部が移動する直動ロボットとして構成としてもよい。

図面中、１０は給電装置、１３、１４は電源、１５は送電コイルユニット、１８、１９、２８、２９はフィルタ装置、２３、２４は負荷、２５は受電コイルユニット、４１は第一コイルセグメント、４２は第二コイルセグメントを示す。

Claims (1)

1. 正転パルスを出力する第一電源、前記第一電源と異なる周波数の逆転パルスを出力する第二電源に接続されている送電コイルユニットと、
   駆動力を発生するステッピングモータと、
   前記ステッピングモータに接続され、前記送電コイルユニットと対向し前記送電コイルユニットから磁界共鳴を利用して非接触で電力を受け取る受電コイルユニットと、
   前記送電コイルユニットと前記第一電源および前記第二電源との間、ならびに前記受電コイルユニットと前記ステッピングモータとの間にそれぞれ設けられているフィルタ装置とを備え、
   前記フィルタ装置は、
   電力の供給側に設けられている第一コイルセグメントと、
   前記第一コイルセグメントと非接触で予め設定された距離だけ離れた位置に前記第一コイルセグメントに対向して電力を消費する前記ステッピングモータ側に設けられ、前記第一コイルセグメントとの間で磁界共鳴を生じる第二コイルセグメントと、を有し、
   前記ステッピングモータを駆動するための前記正転パルスと前記逆転パルスとを分離するロボットの給電装置。

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