JP6141613B2 - 直動ロボット - Google Patents

Description

本発明は、レール部に沿って移動する可動部を備える直動ロボットに関する。

従来、工場などの幅広い設備において、直動ロボットが利用されている。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）などのケーシングに収容された複数の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、この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必要がある。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、移動領域の増大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。

このように、従来の直動ロボットの場合、電力を供給するケーブルベアが必須の構成となる。しかしながら、このような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繰り返し接触する。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、摩耗をともなう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には改善が求められている。

ところで、ロボットの導入は、設備における作業効率の向上が主要な目的である。直動ロボットの場合、レール部を移動する可動部は、レール部に沿った移動と、予め設定された作業のために任意の位置での停止とを繰り返す。このような可動部の停止位置や移動距離は、ユーザが任意に設定するものであり、直動ロボットが導入される設備によって異なる。上述のようにケーブルベアを用いる従来の直動ロボットの場合、可動部はケーブルベアを経由して電力の供給を受ける。そのため、可動部の停止位置や移動距離に関わらず、可動部への電力の供給が停止することはない。すなわち、仮にケーブルベアを廃止する場合、可動部への安定した電力の供給が必要である。また、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、ケーブルベアの廃止の影響がロボット以外の機器に及ばないように考慮する必要がある。

特開２００９−２０８９４１号公報

そこで、本発明の目的は、ケーブルベアを廃止することにより、可動部の小型化が促進されるだけでなく、機器全体の小型化が促進されるとともに、騒音および粉塵の発生、並びに他の機器への電磁気的な影響が低減され、適用可能な設備が拡大する直動ロボットを提供することにある。

請求項１記載の発明では、可動部は、受電コイルを備える。この受電コイルは、レール部に設けられている送電コイルと対向しており、モータの駆動に必要な電力を送電コイルとの間の磁界共鳴によって非接触で受け取る。そのため、モータの駆動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である。また、受電コイルと送電コイルとの間は、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、並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、可動部のモータは、非接触で電力の供給を受けることにより、例えばケーブルベアと一体の移動が不要となる。そのため、モータに要求される出力は、より小さくなる。モータの出力が小さくなると、モータへ電力を供給するための回路や変速機構などの機械的な構成も小型化される。さらにまた、送電コイルは、平面コイルで形成されている送電コイルセグメントを有している。送電コイルを平面状に形成することにより、送電コイルはレール部に沿って必要な設置容積が低減される。したがって、モータおよび可動部の小型化が促進されるだけでなく機器全体の小型化が図られるとともに、騒音および粉塵の発生も低減することができ、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、送電コイルと受電コイルとの間は、磁界共鳴によって電力が供給される。そして、対向する受電コイルと送電コイルとは、受電コイルの面積の方が送電コイルセグメントよりも小さく形成されている。これとともに、磁界共鳴は、高周波である数ＭＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域を用いる。そのため、送電コイルと受電コイルとが対向していないとき、送電コイルに高周波の電力を供給しても、送電コイルのインピーダンスは非常に高くなる。すなわち、磁界共鳴を利用することにより、送電コイルの送電コイルセグメントと受電コイルとが対向している部分だけで電流が流れ、送電コイルセグメントと受電コイルとが対向していない部分ではほとんど電流が流れない。特に、送電コイルを分割した複数の送電コイルセグメントで構成することにより、複数の送電コイルセグメントのうち受電コイルと対向する送電コイルセグメント以外はほとんど電流が流れない。その結果、送電コイルに高周波の電力を供給しても、送電コイルからの電磁的なノイズの発生は受電コイルと対向している送電コイルセグメントのうち受電コイルと対向する部分に限られ、送電コイルセグメントのうち受電コイルと対向していない部分や他の送電コイルセグメントではほとんど電磁的なノイズが発生しない。上述のように、電子機器や半導体などの製造設備では、粉塵だけでなく、無用な電磁的なノイズの影響も排除することが求められている。請求項１記載の発明のように磁界共鳴を用いた非接触の給電を利用することにより、上述のように電磁的なノイズが発生する領域は極めて限定される。そのため、レール部に沿って送電コイルを配置して送電コイルに常時通電した状態でも、受電コイルと対向する位置つまり可動部が存在する位置以外では、電磁的なノイズの影響をほとんど受けない。したがって、騒音および粉塵の発生だけでなく、電磁的なノイズの発生も低減することができ、適用可能な設備を拡大することができる。これとともに、送電コイルセグメントよりも面積の小さな受電コイルを有する可動部は、レール部に沿ったいずれの位置にあるときでも、送電コイルセグメントのいずれかと対向する。そのため、可動部は、停止位置や移動距離などに関わらず対向する送電コイルセグメントから電力の供給を受ける。したがって、可動部の確実な作動も確保することができる。

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図 一実施形態による直動ロボットの応用例を示す概略斜視図 磁界共鳴における共振周波数を示す概略図であって、送電コイルと受電コイルとが対向していないときを示す図 磁界共鳴における共振周波数を示す概略図であって、送電コイルと受電コイルとが対向しているときを示す図 その他の実施形態による直動ロボットを示す概略図 その他の実施形態による直動ロボットを示す概略図

以下、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、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、直線状または任意の曲線状に形成されている。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。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１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、モータ１３の駆動力を駆動力伝達部１７を経由してレール部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。図１に示す実施形態の場合、送電コイル１４は、レール部１１に一巻きの送電コイルセグメント１９として設けられている。レール部１１は、図２に示すように複数の送電コイルセグメント１９を有していてもよい。図２に示す例の場合、レール部１１には三つの送電コイルセグメント１９が設けられている。これらの送電コイルセグメント１９は、それぞれ電力供給部２０と並列に接続している。これにより、送電コイルセグメント１９は、電力供給部２０から電力が供給される。可動部２１が移動可能な距離は、送電コイルセグメント１９を複数接続してレール部１１を構成することにより、容易かつ任意に延長することができる。

受電コイル１５は、図１に示すように可動部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セグメント１９の面積よりも小さく形成されている。具体的には、平面状に巻かれている送電コイルセグメント１９の最も外周側のコイルよりも内側の面積を送電コイルセグメント１９の面積Ｓｔとしたとき、受電コイル１５の面積Ｓｒは、この送電コイルセグメント１９の面積Ｓｔよりも小さい。ここで、受電コイル１５も平面状の平面コイルで形成されており、受電コイル１５の面積Ｓｒは受電コイル１５の最も外周側のコイルよりも内側の面積に相当する。このように、受電コイル１５の面積Ｓｒは、送電コイルセグメント１９の面積Ｓｔよりも小さく設定されている。また、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。可動部１２は、受電コイル１５を経由して送電コイル１４から非接触で電力を受け取る。そのため、レール部１１の長さを任意に延長しても、可動部１２に電力を供給するためのケーブルやケーブルベアの調整は不要である。

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３１から発生した駆動力を利用してステージ部３２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３１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詳細に説明する。
図２に示すように送電コイル１４に接続している電力供給部２０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１４を構成する各送電コイルセグメント１９に供給する。この電力供給部２０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２０は、電源がオンされると、送電コイル１４に通電する。このように送電コイル１４に通電されているとき、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から電力を受け取る。一方、送電コイル１４に通電していても、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に通電しているとき、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、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、一つ以上の送電コイルセグメント１９から構成される送電コイル１４の単体として共振周波数は、ｆ０と定義する。また、送電コイル１４と受電コイル１５との間の磁界共鳴による共振周波数は、ｆｅと定義する。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に高周波を印加しても、図４に示すように磁界共鳴による共振周波数ｆｅにおける送電コイル１４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１４と受電コイル１５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１４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１４に受電コイル１５が対向すると、図５に示すように磁界共鳴による共振周波数ｆｅにおける送電コイル１４のインピーダンスは減少する。そのため、送電コイル１４と受電コイル１５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１４から受電コイル１５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１４から受電コイル１５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。

以上説明したように直動ロボットの一実施形態では、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と対向しており、モータ１３の駆動に必要な電力を送電コイル１４との間の磁界共鳴によって非接触で受け取る。そのため、モータ１３の駆動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などの構成は不要である。すなわち、可動部１２に電源ケーブルやケーブルベアを接続する必要はない。そのため、可動部１２の移動距離にあわせて電源ケーブルやケーブルベアを調整する必要もない。また、受電コイル１５と送電コイル１４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、並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のモータ１３は、非接触で電力の供給を受けることにより、例えばケーブルベアと一体の移動が不要となる。そのため、モータ１３に要求される出力は、ケーブルベアを用いる従来の構成より小さくなる。モータ１３の出力が小さくなると、モータ１３へ電力を供給するための回路や変速機構などの機械的な構成も小型化される。一方、モータ１３の出力を変更しないのであれば、可動部１２の駆動に対しより大きな力が得られ、直動ロボット１０で取り扱い可能な対象が拡大する。さらにまた、送電コイル１４は、平面コイルで形成されている送電コイルセグメント１９を有している。送電コイル１４を平面状に形成することにより、送電コイル１４はレール部１１に沿って必要な設置容積が低減される。すなわち、送電コイル１４を構成する送電コイルセグメント１９は、レール部１１の壁面に沿って設けられている。そのため、レール部１１と一体に送電コイル１４を設けても、レール部１１の設置容積の拡大は招かない。したがって、モータ１３および可動部１２の小型化が促進されるだけでなく機器全体の小型化が図られるとともに、騒音および粉塵の発生も低減することができ、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１４と受電コイル１５との間は、磁界共鳴によって電力が供給される。そして、対向する送電コイル１４と受電コイル１５とは、受電コイル１５の面積Ｓｒの方が対向する送電コイルセグメント１９の面積Ｓｔよりも小さく形成されている。これとともに、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波を用いた磁界共鳴によって電力が受け渡される。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とき、送電コイル１４に高周波の電力を供給しても、送電コイル１４のインピーダンスは非常に高くなる。すなわち、磁界共鳴を利用することにより、送電コイル１４の送電コイルセグメント１９と受電コイル１５とが対向している部分だけで電流が生じ、送電コイルセグメント１９と受電コイル１５とが対向していない部分ではほとんど電流が流れない。特に、送電コイル１４を送電コイルセグメント１９で構成することにより、複数の送電コイルセグメント１９のうち受電コイル１５と対向する送電コイルセグメント１９以外の送電コイルセグメント１９ではほとんど電流が流れない。その結果、送電コイル１４に高周波の電力を供給しても、送電コイル１４からの電磁的なノイズの発生は受電コイル１５と対向している送電コイルセグメント１９のさらに受電コイル１５と対向する部分に限られ、送電コイルセグメント１９のうち受電コイル１５と対向していない部分や他の送電コイルセグメント１９ではほとんど電磁的なノイズが発生しない。電子機器や半導体などの製造設備では、粉塵だけでなく、無用な電磁的なノイズの影響も排除することが求められている。本実施形態のように磁界共鳴を用いた非接触の給電を利用することにより、電磁的なノイズが発生する領域は送電コイル１４と受電コイル１５とが対向する極めて限定的な部分となる。そのため、レール部１１に沿って送電コイル１４を配置して送電コイル１４に常時通電した状態でも、受電コイル１５と対向する位置つまり可動部１２が存在する位置以外では、電磁的なノイズの放射がほとんど生じず、電磁的なノイズの影響をほとんど受けない。したがって、騒音および粉塵の発生だけでなく、電磁的なノイズの発生も低減することができ、電子機器や半導体の製造設備など適用可能な設備を拡大することができる。これとともに、送電コイルセグメント１９よりも面積の小さな受電コイル１５を有する可動部１２は、レール部１１に沿ったいずれの位置にあるときでも、送電コイルセグメント１９のいずれかと対向する。そのため、可動部１２は、停止位置や移動距離などに関わらず対向する送電コイルセグメント１９から電力の供給を受ける。したがって、可動部１２の確実な作動も確保することができる。

（その他の実施形態）
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。

上述の実施形態では、レール部１１を直線状に配置する例について説明した。しかし、図６に示すように直線状の送電コイルセグメント１９の途中に曲線状の送電コイルセグメント４０を設けることにより、レール部１１を曲線状に形成してもよい。これにより、可動部１２は、直線だけでなく曲線的にも移動可能となる。また、上述の実施形態では、レール部１１に対し可動部１２を一つ設ける例について説明した。しかし、図６および図７に示すように、可動部１２は、レール部１１に対して複数設けてもよい。これにより、複数の可動部１２は、電力の供給源となる一つのレール部１１から個別に電力を受け取ることができる。

さらに、上述の実施形態では、レール部１１の側面に送電コイル１４を設ける例について説明した。しかし、レール部１１の上面すなわち重力方向の上方に送電コイル１４を設け、この送電コイル１４の上方を可動部１２が移動する構成としてもよい。

図面中、１０は直動ロボット、１１はレール部、１２は可動部、１３はモータ、１４は送電コイル、１５は受電コイル、１９、４０は送電コイルセグメントを示す。

Claims (1)

1. 線状に伸びるレール部と、
   前記レール部に案内されて移動する可動部と、
   前記可動部を駆動するモータと、
   平面コイルで形成され前記レール部に沿って設けられている複数の送電コイルセグメントを有し、電力供給部から高周波の電力が供給される送電コイルと、
   前記可動部に前記送電コイルと対向して設けられるとともに、前記送電コイルセグメントと対向する面積が前記送電コイルセグメントよりも小さく形成され、前記レール部に沿って移動することにより、複数の前記送電コイルセグメントで構成される前記送電コイルにおいて、対向する送電コイルセグメントと対向しない送電コイルセグメントとが生じ、対向する送電コイルセグメントのインピーダンスが対向しない送電コイルセグメントのインピーダンスよりも低くなることにより、前記送電コイルセグメントにおける通電が断続され、前記送電コイルから磁界共鳴によって前記送電コイルと非接触で前記モータへ供給する電力を受け取る受電コイルと、
   を備える直動ロボット。

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