JP6170057B2 - 静電結合方式非接触給電装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可動部上の電気負荷に電極を用いて非接触で給電する静電結合方式非接触給電装置およびその制御方法に関し、より詳細には、電気負荷の稼働状況の変動に追従して高周波電源部を制御する装置および制御方法に関する。

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、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の上方を移動して所定の作業を行う可動部を備えており、可動部を駆動する一手段としてリニアモータ装置を用いることができる。リニアモータ装置は、移動方向に沿い複数の磁石のＮ極およびＳ極が交互に列設された軌道部材と、コアおよびコイルを有する電機子を含んで構成された可動部とを備えるのが一般的である。リニアモータ装置を始めとする可動部上の電力負荷に給電するために、従来から変形可能な給電用ケーブルが用いられてきた。また、近年では、給電用ケーブルによる荷搬重量の増加や金属疲労による断線のリスクなどの弊害を解消するために、非接触給電装置の適用も提案されている。

非接触給電装置の方式として、従来からコイルを用いた電磁誘導方式が多用されてきたが、最近では対向する電極板によりコンデンサを構成した静電結合方式も用いられるようになってきており、他に磁界共鳴方式なども検討されている。いずれの方式においても、給電効率の向上が重要であり、非接触給電回路の全体を直列共振回路として大電流を流す技術や、給電点でインピーダンス整合を図る技術などが提案されている。また、非接触給電装置では、可動部上の電気負荷の変動に追従するために、固定部側の高周波電源部の出力周波数や出力電圧を可変に調整する場合が多い。

この種の非接触給電装置の技術例が特許文献１に開示されている。特許文献１のワイヤレス給電システムは、電磁共鳴方式（磁界共鳴方式）の非接触給電装置を主な対象として、給電点におけるインピーダンス整合を図ることを要旨としている。特許文献１の請求項１には、給電装置に電力生成部、送電素子、給電側のインピーダンス検出部、インピーダンス可変勢合部、インピーダンス特性記憶部、および制御部を有する態様が示され、給電側の出力インピーダンスを可変に調整できるようになっている。また、請求項８には、受電装置に類似の構成を有して、受電側の入力インピーダンスを可変に調整する態様が示されている。さらに、請求項１５および１６には、通信部を有して給電装置と受電装置との間でインピーダンス制御情報を送受信する態様が示されている。これにより、双方のインピーダンス調整を行って電力損失を低減でき、回路規模およびコストの増大を抑止できる、と記載されている。

特開２０１１−２２３７３９号公報

ところで、特許文献１のシステムでは、比較的長い距離で磁界共鳴方式により非接触給電するために、インピーダンス整合が必要になっている。しかしながら、比較的短い距離で静電結合方式や電磁誘導方式により非接触給電する場合には、直列共振回路により給電効率を高めるのが一般的であり、特許文献１のシステムを適用すると装置構成が過剰でコストが割高になってしまう。

一方、静電結合方式や電磁誘導方式では、電気負荷の稼動状況の変動や回路の共振状況の変動に依存して給電効率が変化する。したがって、電気負荷の稼動状況や回路の共振状況などを検出し、これらに対応して給電側の高周波電源部の出力周波数や出力電圧を可変に制御することが好ましい。しかしながら、特許文献１に類似した検出回路や通信部を受電側に設けると、その分だけ受電側の構成が複雑化して重厚長大化する。ここで、受電側は可動部に設けられるのが一般的であるので、可動部の大形化および重量化は給電電力の削減や装置コストの低減などに大きな妨げとなる。

また、電気負荷の稼動状況や回路の共振状況を検出しなければ 非接触給電の実施状況が不明となるため、可動部上の電気負荷の稼動安定性が低下したり、動作速度が低下したりするおそれが生じる。

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、非接触給電の対象となる可動部上の電気負荷の稼動状況や回路の共振状況を固定部側で検出して稼動安定性を高めつつ、可動部側の電気回路を簡略化して小形軽量化を実現し、給電電力の削減や装置のコスト低減に寄与できる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に係る静電結合方式非接触給電装置の発明は、固定部に設けられた給電用電極と、前記給電用電極に高周波電力を給電する高周波電源部と、前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記給電用電極に離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る受電用電極と、前記受電用電極が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電気負荷に給電する受電変換部と、前記給電用電極と前記受電用電極とにより構成されたコンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する共振用インダクタと、を備えた静電結合方式非接触給電装置であって、前記高周波電源部と前記直列共振回路との間に設けられて、前記高周波電源部から前記直列共振回路に向かう進行波の進行波電圧および逆方向の反射波の反射波電圧を検出する電圧検出手段と、前記固定部に設けられて、前記受電用電極に発生する受電電圧を非接触で検出する補助電圧検出手段と、前記進行波電圧および前記反射波電圧に基づいて前記電圧検出手段からみた負荷側インピーダンスを演算し、前記受電電圧に基づいて前記直列共振回路の共振状況を判定し、前記負荷側インピーダンスおよび前記共振状況に基づいて前記高周波電源部の出力周波数および出力電圧の少なくとも一方を可変に制御する演算制御手段と、をさらに備えた。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記演算制御手段は、前記進行波電圧、前記反射波電圧、および前記高周波電源部の内部インピーダンスに基づき、電圧反射率および電圧定在波比の少なくとも一方を用いて前記負荷側インピーダンスを演算する。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記演算制御手段は、前記負荷側インピーダンスおよび前記高周波電源部の出力電圧をパラメータとして前記高周波電源部の周波数目標値を求める周波数マップを保持しており、前記周波数マップを用いて求めた前記周波数目標値に前記出力周波数が一致するように制御する。

請求項４に係る発明は、請求項３において、前記演算制御手段は、前記負荷側インピーダンスおよび前記高周波電源部の出力電圧をパラメータとして前記受電電圧の電圧目標値を求める電圧マップを保持しており、前記電圧マップを用いて前記電圧目標値を求め、かつ、前記周波数目標値に一致した前記出力周波数で前記高周波電源部が給電していて、前記受電電圧が前記電圧目標値に一致しない場合は、前記出力周波数を微調整する。

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、前記電圧検出手段は、前記高周波電源部と前記直列共振回路との間に直列接続された双方向性結合器と、前記双方向性結合器で分離された前記進行波電圧および前記反射波電圧を測定する電圧測定器と、を含む。

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、前記補助電圧検出手段は、前記固定部に設けられて前記受電用電極に離隔対向する補助電極と、前記補助電極に誘起される補助電圧を測定する電圧測定器と、を含む。
請求項７に係る発明は、請求項６において、前記補助電極は、前記給電用電極と同一平面上に配置されている。

請求項８に係る静電結合方式非接触給電装置の制御方法の発明は、固定部に設けられた給電用電極と、前記給電用電極に高周波電力を給電する高周波電源部と、前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記給電用電極に離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る受電用電極と、前記受電用電極が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電気負荷に給電する受電変換部と、前記給電用電極と前記受電用電極とにより構成されるコンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する共振用インダクタと、を備えた静電結合方式非接触給電装置の制御方法であって、前記高周波電源部と前記直列共振回路との間で、前記高周波電源部から前記直列共振回路に向かう進行波の進行波電圧および逆方向の反射波の反射波電圧を検出する電圧検出ステップと、前記固定部側で、前記受電用電極に発生する受電電圧を非接触で検出する補助電圧検出ステップと、前記進行波電圧および前記反射波電圧に基づいて前記直列共振回路を含む負荷側インピーダンスを演算し、前記受電電圧に基づいて前記直列共振回路の共振状況を判定し、前記負荷側インピーダンスおよび前記共振状況に基づいて前記高周波電源部の出力周波数および出力電圧の少なくとも一方を可変に制御する演算制御ステップと、を有する。

請求項１に係る発明では、電圧検出手段が検出する反射波電圧は、電気負荷の稼動状況の変動および直列共振回路の共振状況の変動に依存して変化する。また、補助電圧検出手段が非接触で検出する受電用電極の受電電圧は、直列共振回路の共振状況の変動に依存して変化する。したがって、演算制御手段は、進行波電圧および反射波電圧に基づいて負荷側インピーダンスを演算し、受電電圧に基づいて直列共振回路の共振状況を判定することで、電気負荷の稼動状況および直列共振回路の共振状況を把握できる。さらに、演算制御手段は、把握した状況に応じて高周波電源部を可変に制御することで高い給電効率を維持できるので、可動部上の電気負荷の稼動安定性が高められる。

また、特許文献１と異なり、電圧検出手段、補助電圧検出手段、および演算制御手段は、全て固定部側に設けることができる。したがって、可動部側の電気回路を簡略化して小形軽量化を実現できる。加えて、装置の給電電力の削減や装置のコスト低減にも寄与できる。

請求項２に係る発明では、演算制御手段は、進行波電圧、反射波電圧、および高周波電源部の内部インピーダンスに基づき、電圧反射率および電圧定在波比の少なくとも一方を用いて負荷側インピーダンスを演算する。電気負荷の稼動状況は、等価回路上は負荷側インピーダンスの変動として表される。また、反射波電圧の大きさは、負荷側インピーダンスと高周波電源部の内部インピーダンスとの関係に依存する。そして、この関係は電圧反射率および電圧定在波比の少なくとも一方を用いて表される。したがって、演算制御手段は、少なくとも一方を用いた演算によって負荷側インピーダンスを求めることができ、電気負荷の稼動状況を把握することができる。

請求項３に係る発明では、演算制御手段は、負荷側インピーダンスおよび高周波電源部の出力電圧をパラメータとして高周波電源部の周波数目標値を求める周波数マップを保持しており、周波数マップを用いて求めた周波数目標値に出力周波数が一致するように制御する。つまり、演算制御手段は、負荷側インピーダンスの変動に応じて高周波電源部の出力周波数を可変に制御する。これにより、電気負荷の稼動状況に応じて、直列共振回路の共振状況を良好に保って高い給電効率を維持できる。

請求項４に係る発明では、演算制御手段は、周波数マップに加えて電圧マップを保持しており、周波数目標値に一致した出力周波数で高周波電源部が給電していて、受電電圧が電圧目標値に一致しない場合は、出力周波数を微調整する。つまり、周波数マップから最適な周波数目標値を求めて制御することで、通常は受電用電極の受電電圧は電圧目標値に概ね一致するが、不測の要因で受電電圧が電圧目標値から外れる場合が起こり得る。この場合、出力周波数が実際の共振周波数から偏移しているものと判断し、周波数目標値に制約されずに出力周波数を微調整する。これにより、不測の要因が生じていても、直列共振回路の共振状況を良好に保ち、所定の受電電圧を発生させて高い給電効率を維持できる。

請求項５に係る発明では、電圧検出手段は双方向性結合器と電圧測定器とを含んで構成される。このように、固定部側で汎用の機材を組み合わせて進行波電圧および反射波電圧を測定し、測定値に基づいて負荷側インピーダンスを演算するので、装置コストの低減に資することができる。

請求項６に係る発明では、補助電圧検出手段は、固定部に設けられて受電用電極に離隔対向する補助電極と、補助電極に誘起される補助電圧を測定する電圧測定器とを含んで構成される。このように、固定部側で汎用の機材を組み合わせて可動部側の受電電圧を非接触で測定するので、装置コストの低減に資することができる。
請求項７に係る発明では、補助電極と給電用電極とは同一平面上に配置されて対向していないのでコンデンサは構成されず、両者の間の静電結合は無視して考えることができる。

請求項８に係る静電結合方式非接触給電装置の制御方法の発明では、電圧検出ステップ、補助電圧検出ステップ、および演算制御ステップを有しており、請求項１の装置の発明と同様の効果が生じる。本発明は、装置の発明だけでなく、方法の発明としても実施することができる。

本発明の静電結合方式非接触給電装置を適用できる部品実装機の全体構成を示した斜視図である。 実施形態の静電結合方式非接触給電装置を説明するブロック構成図である。 実施形態の静電結合方式非接触給電装置の給電回路の等価回路図である。 従来技術の静電結合方式非接触給電装置を説明するブロック構成図である。

まず、本発明を適用できる部品実装機１０について、図１を参考にして説明する。図１は、本発明の静電結合方式非接触給電装置を適用できる部品実装機１０の全体構成を示した斜視図である。部品実装機１０は、基板に多数の部品を実装する装置であり、２セットの同一構造の部品実装ユニットが概ね左右対称に配置されて構成されている。ここでは、図１の右手前側のカバーを取り外した状態の部品実装ユニットを例にして説明する。なお、図中の左奥側から右手前側に向かう部品実装機１０の幅方向をＸ軸方向とし、部品実装機１０の長手方向をＹ軸方向とする。

部品実装機１０は、基板搬送装置１１０、部品供給装置１２０、２つの部品移載装置１３０、１４０などが機台１９０に組み付けられて構成されている。基板搬送装置１１０は、部品実装機１０の長手方向の中央付近をＸ軸方向に横断するように配設されている。基板搬送装置１１０は、図略の搬送コンベアを有しており、基板をＸ軸方向に搬送する。また、基板搬送装置１１０は、図略のクランプ装置を有しており、基板を所定の実装作業位置に固定および保持する。部品供給装置１２０は、部品実装機１０の長手方向の前部（図１の左前側）及び後部（図には見えない）に設けられている。部品供給装置１２０は、複数のカセット式フィーダ１２１を有し、各フィーダ１２１にセットされたキャリアテープから２つの部品移載装置１３０、１４０に連続的に部品を供給するようになっている。

２つの部品移載装置１３０、１４０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能ないわゆるＸＹロボットタイプの装置である。２つの部品移載装置１３０、１４０は、部品実装機１０の長手方向の前側および後側に、相互に対向するように配設されている。各部品移載装置１３０、１４０は、Ｙ軸方向の移動のためのリニアモータ装置１５０を有している。

リニアモータ装置１５０は、２つの部品移載装置１３０、１４０に共通な軌道部材１５１および補助レール１５５と、２つの部品移載装置１３０、１４０ごとのリニア可動部１５３で構成されている。軌道部材１５１は、本発明の固定部２の一部に相当し、リニア可動部１５３の移動方向となるＹ軸方向に延在している。軌道部材１５１は、リニア可動部１５３の下側に配置された底面、およびリニア可動部１５３の両側に配置された側面からなり、上方に開口する溝形状になっている。軌道部材１５１の向かい合う側面の内側には、Ｙ軸方向に沿って複数の磁石１５２が列設されている。

リニア可動部１５３は、軌道部材１５１に移動可能に装架されている。リニア可動部１５３は、本発明の可動部３に相当し、可動本体部１６０、Ｘ軸レール１６１、および実装ヘッド１７０などで構成されている。可動本体部１６０は、Ｙ軸方向に延在しており、その両側面には軌道部材１５１の磁石１５２に対向して推進力を発生する電機子が配設されている。Ｘ軸レール１６１は、可動本体部１６０からＸ軸方向に延在している。Ｘ軸レール１６１は、一端１６２が可動本体部１６０に結合され、他端１６３が補助レール１５５に移動可能に装架されており、可動本体部１６０と一体的にＹ軸方向に移動するようになっている。

実装ヘッド１７０は、Ｘ軸レール１６１に装架され、Ｘ軸方向に移動するようになっている。実装ヘッド１７０の下端には図略の吸着ノズルが設けられている。吸着ノズルは、エアポンプにより生成される負圧を利用して部品供給装置１２０から部品を吸着採取し、駆動モータにより昇降駆動および回転駆動され、吸着した部品を実装作業位置の基板に実装する。Ｘ軸レール１６１上に設けられた図略のボールねじ送り機構は、可動本体部１６０に配設されたＸ軸モータにより駆動されて、実装ヘッド１７０をＸ軸方向に駆動する。

部品実装機１０は、他に、オペレータと情報を交換するための表示設定装置１８０および、基板や部品を撮像する図略のカメラなどを備えている。

可動本体部１６０上のＸ軸モータならびに電機子や、実装ヘッド１７０上のエアポンプや駆動モータなどは、本発明の電気負荷に相当する。また、リニア可動部１５３上の説明を省略したセンサ類や制御基板なども電気負荷の一部である。

これらの可動部３上（リニア可動部１５３上）の電気負荷に固定部２（軌道部材１５１）から給電するために、本発明の実施形態の静電結合方式非接触給電装置１が構成されている。図２は、実施形態の静電結合方式非接触給電装置１を説明するブロック構成図である。静電結合方式非接触給電装置１は、給電用電極２１、高周波電源部２５、共振用インダクタ２９、受電用電極３１、受電変換部３５、電圧検出手段４、補助電圧検出手段５、および演算制御手段６などで構成されている。

２個の給電用電極２１は、固定部２に設けられており、金属材料で細長い帯状に形成されている。給電用電極２１は、固定部２の軌道部材１５１のＹ軸方向（図２の紙面表裏方向）の概ね全長にわたって配設されている。

高周波電源部２５は、固定部２に配設されており、高周波電力を出力する。高周波電源部２５の２つの出力端子は、電源線２５１により後述する双方向性結合器４１および共振用インダクタ２９を経由して給電用電極２１に接続されている。高周波電源部２５は、例えば、直流電源と４個のスイッチング素子からなるブリッジ回路とを含んで構成することができる。この構成によれば、スイッチング素子の制御周期を可変に制御することで、高周波電源部２５の出力周波数ｆを１００ｋＨｚ〜ＭＨｚ帯で可変に制御することができる。高周波電源部２５の出力電圧Ｖ１は、一定としてもよいし、可変に制御するようにしてもよい。出力電圧波形としては、スイッチングされた電圧を直接出力する矩形波や、ブリッジ回路の出力側に平滑回路を挿入して生成する正弦波などを例示できる。

２個の受電用電極３１は、可動部３に設けられており、金属材料で形成されている。受電用電極３１のＹ軸方向に直角な幅寸法（図２の上下方向の寸法）は、給電用電極２１の幅寸法よりも大きい。受電用電極３１および給電用電極２１は、所定の給電電力を得るために大きな対向面積が確保されており、わずかな離間距離を有して対向配置されている。このため、２個の受電用電極３１と給電用電極２１により、２組の平行板コンデンサが構成されている。リニアモータ装置１５０により可動部３が駆動されても、離間距離は概ね一定に保たれ、平行板コンデンサの静電容量値Ｃ１も概ね一定に保たれる。

受電変換部３５は、可動部３に設けられており、受電用電極３１から入力された高周波電力を変換して、電気負荷９１に出力する。非接触給電の給電対象となる電気負荷９１は、具体的には前述したリニア可動部１５３上のＸ軸モータならびに電機子、実装ヘッド１７０上のエアポンプや駆動モータ、センサ類や制御基板などである。これら複数の電気負荷９１は、動作電圧が互いに異なっていてもよい。

受電変換部３５の入力端子は、電源線３５１により受電用電極３１に接続されている。受電変換部３５の出力端子は、給電線３５２により電気負荷９１に接続されている。電気負荷９１は直流負荷および交流負荷のいずれでもよく動作電圧の大きさも限定されないが、受電変換部３５は電気負荷９１に対応した電圧出力機能を具備する必要がある。受電変換部３５には、例えば、入力された高周波電力を直流電力に変換する全波整流回路や、商用周波交流電力に変換するインバータ回路などを用いることができる。また、複数の電気負荷９１の動作電圧や周波数が異なる場合には、マルチ出力形の受電変換部３５を用いることができる。

２個の共振用インダクタ２９は、給電用電極２１と受電用電極３１とにより構成された平行板コンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する。共振用インダクタ２９として、一般的にはコイルを用いる。共振用インダクタ２９は、固定部２側の２本の電源線２５１の双方向性結合器４１と給電用電極２１との間にそれぞれ接続されている。共振用インダクタ２９のインダクタンス値Ｌ１は、平行板コンデンサの静電容量値Ｃ１に合わせて適正に選定されている。なお、２個の共振用インダクタ２９に代えて、２倍のインダクタンス値（２Ｌ１）を有するインダクタを一方の電源線２５１に挿入接続するようにしてもよい。

電圧検出手段４は、高周波電源部２５と直列共振回路との間に設けられている。電圧検出手段４は、高周波電源部２５から直列共振回路に向かう進行波の進行波電圧Ｖ１および逆方向の反射波の反射波電圧Ｖ２を検出する。電圧検出手段４は、高周波電源部２５と直列共振回路との間に接続された双方向性結合器４１、ならびに電圧検出器４５を含んで構成されている。

図２に示されるように、双方向性結合器４１の第１主端子４２１は高周波電源部２５に接続され、第２主端子４２２は共振用インダクタ２９に接続されている。また、双方向性結合器４１の第１分離端子４２３および第２分離端子４２４は電圧検出器４５に接続されている。第１主端子４２１と第２主端子４２２との間では、進行方向に関わりなくすべての電圧が透過する。

これに対して、第１分離端子４２３は、第１主端子４２１から第２主端子４２２に向かう電圧のみを分離して出力する。すなわち、高周波電源部２５から出力された出力電圧Ｖ１であって、直列共振回路に向かう進行波の進行波電圧Ｖ１のみを分離して出力する。逆に、第２主端子４２２から第１主端子４２１に向かう電圧があっても、第１分離端子４２３には出力されない。一方、第２分離端子４２４は、第２主端子４２２から第１主端子４２１に向かう電圧のみ、換言すれば反射波の反射波電圧Ｖ２のみを分離して出力する。

電圧検出器４５は、第１分離端子４２３の進行波電圧Ｖ１、ならびに第２分離端子４２４の反射波電圧Ｖ２を測定し、測定値を演算制御手段６に送出する。電圧検出器４５は、例えば、演算制御手段６から制御される２チャンネル以上のＡＤ変換器を含んで構成することができ、これに限定されない。

補助電圧検出手段５は、固定部２に設けられており、受電用電極３１に発生する受電電圧Ｖ３を非接触で検出する。補助電圧検出手段５は、固定部２に設けられて各受電用電極３１にそれぞれ離隔対向する２個の補助電極５１と、補助電極５１に誘起される補助電圧Ｖ４を測定する電圧測定器５５とを含んで構成されている。

２個の補助電極５１は、金属材料で細長い帯状に形成されており、それぞれ給電用電極２１に並行し、軌道部材１５１のＹ軸方向（図２の紙面表裏方向）の概ね全長にわたって配設されている。補助電極５１のＹ軸方向に直角な幅寸法（図２の上下方向の寸法）は、受電用電極３１の幅寸法から給電用電極２１の幅寸法を差し引いた寸法に略一致している。受電用電極３１と補助電極５１との間には、所定の対向面積が確保されており、わずかな離間距離を有して対向配置されている。したがって、２個の受電用電極３１および補助電極５１により、２組の補助コンデンサが構成されている。可動部３がリニアモータ装置１５０により駆動されても、離間距離は概ね一定に保たれ、補助コンデンサの静電容量Ｃ２も概ね一定に保たれる。なお、補助電極５１と給電用電極２１とは同一平面上に配置されて対向していないのでコンデンサは構成されず、両者５１、２１の間の静電結合は無視して考えることができる。

２個の補助電極５１の間には、受電用電極３１に発生する受電電圧Ｖ３が分圧されて補助電圧Ｖ４が誘起される。補助電圧Ｖ４は受電電圧Ｖ３に比例するので、電圧測定器５５で補助電圧Ｖ４を測定し、測定値に分圧比の逆数を乗算することで受電電圧Ｖ３を求めることができる。電圧測定器５５は、受電電圧Ｖ３の測定値を演算制御手段６に送出する。電圧測定器５５は、例えば、演算制御手段６から制御されるＡＤ変換器を含んで構成することができ、これに限定されない。また、進行波電圧Ｖ１および反射波電圧Ｖ２を測定する電圧検出器４５と、補助電圧Ｖ４を測定する電圧測定器５５とを一体化してもよい。

演算制御手段６は、負荷側インピーダンスＺＬを演算し、共振状況を判定して、高周波電源部２５の少なくとも出力周波数ｆを可変に制御する．演算制御手段６には、例えば、マイコンを内蔵してソフトウェアで動作する電子制御装置を用いることができる。演算制御手段６は、まず、前述した進行波電圧Ｖ１および反射波電圧Ｖ２に基づいて負荷側インピーダンスＺＬを演算する。負荷側インピーダンスＺＬの演算方法については、後で等価回路を用いて詳述する。

演算制御手段６は、次に、受電電圧Ｖ３に基づいて直列共振回路の共振状況を判定し、具体的には電圧マップを用いた判定を行う。電圧マップは、負荷側インピーダンスＺＬおよび高周波電源部２５の出力電圧Ｖ１をパラメータとして受電電圧Ｖ３の電圧目標値Ｖ３Ｔを求める一覧表である。演算制御手段６は、受電電圧Ｖ３が電圧目標値Ｖ３Ｔに概ね一致している場合に、共振状況が良好であると判定する。演算制御手段６は、受電電圧Ｖ３が電圧目標値Ｖ３Ｔから外れている場合、大抵は受電電圧Ｖ３が電圧目標値Ｖ３Ｔから低下した場合に、共振状況が良好でないと判定する。

演算制御手段６は、三番目に、負荷側インピーダンスＺＬおよび共振状況に基づいて高周波電源部２５の出力周波数ｆを可変に制御する。具体的に、演算制御手段６は、周波数マップを用いて周波数目標値ｆＴを求め、これに出力周波数ｆが一致するように制御する。周波数マップは、負荷側インピーダンスＺＬおよび高周波電源部２５の出力電圧Ｖ１をパラメータとして周波数目標値ｆＴを求める一覧表である。

さらに、演算制御手段６は、共振状況が良好でない場合に、出力周波数ｆを微調整する。つまり、不測の要因で受電電圧Ｖ３が電圧目標値Ｖ３Ｔから外れていることから、出力周波数ｆが実際の共振周波数から偏移しているものと判断できるので、演算制御手段６は、周波数目標値ｆＴに制約されずに出力周波数ｆを微調整する。

なお、電圧マップおよび周波数マップは、実際の部品実装機１０を用いた確認実験や、部品実装機１０の電気的諸量を模擬して行うシミュレーションなどにより、予め作成しておくことができる。

次に、上述のように構成された実施形態の静電結合方式非接触給電装置１の作用について説明する。図３は、実施形態の静電結合方式非接触給電装置１の給電回路の等価回路図７である。図３で、高周波電源部２５は、理想電圧源７１とインピーダンス値Ｚ０の内部インピーダンス７２との直列回路に置き換えることができる。また、受電変換部３５および電気負荷９１は、稼働状況に応じて抵抗値ＲＬが変動する負荷抵抗７３、およびインダクタンス値ＬＬが変動する負荷インダクタ７４の直列回路に置き換えることができる。

一方、２個の給電用電極２１および受電用電極３１で構成された２組の平行板コンデンサは直列接続されることになり、トータルの静電容量値は個別の静電容量値Ｃ１の半分になる。また、２個の共振用インダクタ２９も直列接続されることになり、トータルのインダクタンス値は個別のインダクタンス値Ｌ１の２倍になる。したがって、電圧検出手段４からみた負荷側インピーダンスＺＬは、次の式（１）により求めることができる。なお、ωは出力周波数ｆに２πを乗算した角周波数であり、ｊは虚数単位である。

ここで、高周波電源部２５の内部インピーダンス７２が純抵抗であり、かつ受電変換部３５および電気負荷９１を純抵抗とみなせる場合には、インダクタンス値ＬＬ＝０となり、次の式（２）が直列共振条件となる。

出力周波数ｆが適正に共振周波数に制御されて式（２）の直列共振条件が満たされていると、負荷側インピーダンスＺＬの虚数部はゼロになる。このとき、受電用電極３１に発生する受電電圧Ｖ３は、高周波電源部２５の出力電圧Ｖ１に一致する。また、出力周波数ｆが共振周波数から偏移するにつれて、負荷側インピーダンスＺＬの虚数部が増加し、受電電圧Ｖ３は漸減する。このため、演算制御手段６は、受電電圧Ｖ３の大小により共振状況を判定することができる。

実際の部品実装機１０では、電気負荷９１にモータなどが含まれているので、負荷インダクタ７４が存在して（インダクタンス値ＬＬ≠０）直列共振条件に影響を及ぼす。この影響を低減して実用的な給電制御を行うために、前述した電圧マップを確認実験やシミュレーションによって予め作成しておくことが好ましい。

次に、電圧検出手段４で検出した進行波電圧Ｖ１および反射波電圧Ｖ２を用いると、電圧反射率Γは、次の式（３）により求めることができる。

また、電圧反射率Γは、次の式（４）でも表される。

したがって、式（３）の右辺と式（４）の右辺とが等しくなり、内部インピーダンス７２のインピーダンス値Ｚ０が既知の一定値であることから、負荷側インピーダンスＺＬを演算によって求めることができる。

ここで、直列共振回路を構成するインダクタンス値Ｌ１は一定値であり、静電容量値Ｃ１を一定とみなせば、電気負荷の稼動状況に応じて変動する抵抗値ＲＬおよびインダクタンス値ＬＬを逐次演算できる。さらに、これら諸量に基づいて、直列共振条件が成立するように出力周波数ｆの周波数目標値ｆＴを逐次求めることができる。このため、演算制御手段６は、負荷側インピーダンスＺＬを演算して適正な周波数目標値ｆＴを求め、これに一致するように出力周波数ｆを適正に制御することができる。

実際の部品実装機１０では、可動部３が移動すると、受電用電極３１と給電用電極２１との離間距離が微妙に変動して静電容量値Ｃ１に影響を及ぼすことが考えられる。このような静電容量値Ｃ１の変動を考慮して、前述した周波数マップを予め作成しておくことが好ましい。

さらに、不測の要因が発生して周波数目標値ｆＴで良好な共振状況が得られない場合には、演算制御手段６は、周波数目標値ｆＴにとらわれることなく出力周波数ｆを暫定的に増減制御して最適値を求め、電圧目標値Ｖ３Ｔに概ね一致した大きな受電電圧Ｖ３が得られるように制御する。なお、不測の要因の影響は、等価回路上では静電容量値Ｃ１の変動またはインダクタンス値ＬＬの変動で表される。

なお、参考までに、電圧反射率Γを用いて、電圧定在波比ＶＳＷＲを次の式（５）により求めることができる。

ここで、高周波電源部２５の内部インピーダンス７２のインピーダンス値Ｚ０は既知の一定値であるので、電圧定在波比ＶＳＷＲは負荷側インピーダンスＺＬに比例する。したがって、周波数マップおよび電圧マップのパラメータとして、負荷側インピーダンスＺＬに代えて電圧定在波比ＶＳＷＲを用いることもできる。

次に、実施形態の静電結合方式非接触給電装置１の効果について、従来技術と比較しながら説明する。図４は、従来技術の静電結合方式非接触給電装置１Ｘ（以降は従来装置１Ｘと略記）を説明するブロック構成図である。従来装置１Ｘは、可動部３Ｘ側に受電検出手段８１および送信回路８２を備え、固定部２Ｘ側に受信回路８３および制御手段８４を備えている。その代わりに、従来装置１Ｘは、実施形態の電圧検出手段４、補助電圧検出手段５、および演算制御手段６を備えていない。

従来装置１Ｘでは、可動部３Ｘ側で、受電検出手段８１が受電変換部３５の受電電圧Ｖ３もしくは変換電力を検出して、検出信号を送信回路８２に送出していた。この検出信号は、可動部３Ｘ側の送信回路８２から固定部２Ｘ側の受信回路８３へと、無線や光を用いて非接触で送信されていた。そして、制御手段８４は検出信号に基づいて、高周波電源部２５の出力周波数や出力電圧を可変に制御していた。

従来装置１Ｘと比較すれば分かるように、実施形態の実施形態の静電結合方式非接触給電装置１では、可動部３側の受電検出手段８１および送信回路８２が不要になっている。これにより、可動部３側の電気回路を簡略化して小形軽量化を実現できる。加えて、装置１の給電電力の削減やコスト低減にも寄与できる。

また、実施形態では、進行波電圧Ｖ１および反射波電圧Ｖ２に基づいて演算した負荷側インピーダンスＺＬ、および受電電圧Ｖ３に基づいて判定した共振状況に応じて高周波電源部２５の出力周波数ｆを可変に制御する。また、制御に際しては周波数マップおよび電圧マップを用い、不測の要因が生じた場合であっても、直列共振回路の共振状況を良好に保つことができる。したがって、これらの総合的な作用として、高い給電効率を維持でき、可動部３上の電気負荷９１の稼動安定性が高められる。

また、電圧検出手段４は双方向性結合器４１と電圧検出器４５とを含んで構成され、補助電圧検出手段５は、補助電極５１と電圧測定器５５とを含んで構成されている。このように、固定部２側で汎用の機材を組み合わせて進行波電圧Ｖ１、反射波電圧Ｖ２、および可動部３側の受電電圧Ｖ３を測定するので、装置１のコストを低減できる。

なお、本発明は、装置１でなくとも、非接触給電の制御方法として実施することもできる。また、高周波電源部２５は、出力周波数ｆだけでなく出力電圧Ｖ１も制御するように構成してもよい。さらに、電圧検出手段４および補助電圧検出手段５は、固定部２側に設けられればよいのであって、内部の構成は異なっていてもよい。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

本発明の静電結合方式非接触給電装置は、部品実装機を始めとする基板用作業機器に限定されるものでなく、可動部を有して非接触給電を必要とする他の業種の産業用機器にも広く利用できる。さらには、走行中の電車に対してパンタグラフなどを用いずに非接触給電する用途や、走行中の電気自動車に対して路面から非接触給電する用途などにも利用可能である。

１、１Ｘ：静電結合方式非接触給電装置
２、２Ｘ：固定部 ２１：給電用電極
２５：高周波電源部 ２９：共振用インダクタ
３、３Ｘ：可動部
３１：受電用電極 ３５：受電変換部
４：電圧検出手段
４１：双方向性結合器 ４５：電圧検出器
５：補助電圧検出手段
５１：補助電極 ５５：電圧測定器
６：演算制御手段
７１：理想電圧源 ７２：内部インピーダンス
７３：負荷抵抗 ７４：負荷インダクタ
８１：受電検出手段 ８２：送信回路
８３：受信回路 ８４：制御手段
９１：電気負荷
１０：部品実装機
１１０：基板搬送装置 １２０：部品供給装置
１３０、１４０：部品移載装置 １５０：リニアモータ装置
１５１：軌道部材 １６０：可動本体部 １６１：Ｘ軸レール
１７０：実装ヘッド １８０：表示設定装置 １９０：機台
Ｖ１：進行波電圧（高周波電源部の出力電圧）
Ｖ２：反射波電圧 Ｖ３：受電電圧 Ｖ４：補助電圧
ＺＬ：負荷側インピーダンス Ｚ０：内部インピーダンス

Claims (8)

1. 固定部に設けられた給電用電極と、
   前記給電用電極に高周波電力を給電する高周波電源部と、
   前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記給電用電極に離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る受電用電極と、
   前記受電用電極が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電気負荷に給電する受電変換部と、
   前記給電用電極と前記受電用電極とにより構成されたコンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する共振用インダクタと、を備えた静電結合方式非接触給電装置であって、
   前記高周波電源部と前記直列共振回路との間に設けられて、前記高周波電源部から前記直列共振回路に向かう進行波の進行波電圧および逆方向の反射波の反射波電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記固定部に設けられて、前記受電用電極に発生する受電電圧を非接触で検出する補助電圧検出手段と、
   前記進行波電圧および前記反射波電圧に基づいて前記電圧検出手段からみた負荷側インピーダンスを演算し、前記受電電圧に基づいて前記直列共振回路の共振状況を判定し、前記負荷側インピーダンスおよび前記共振状況に基づいて前記高周波電源部の出力周波数および出力電圧の少なくとも一方を可変に制御する演算制御手段と、
   をさらに備えた静電結合方式非接触給電装置。
2. 請求項１において、前記演算制御手段は、前記進行波電圧、前記反射波電圧、および前記高周波電源部の内部インピーダンスに基づき、電圧反射率および電圧定在波比の少なくとも一方を用いて前記負荷側インピーダンスを演算する静電結合方式非接触給電装置。
3. 請求項１または２において、
   前記演算制御手段は、前記負荷側インピーダンスおよび前記高周波電源部の出力電圧をパラメータとして前記高周波電源部の周波数目標値を求める周波数マップを保持しており、前記周波数マップを用いて求めた前記周波数目標値に前記出力周波数が一致するように制御する静電結合方式非接触給電装置。
4. 請求項３において、前記演算制御手段は、
   前記負荷側インピーダンスおよび前記高周波電源部の出力電圧をパラメータとして前記受電電圧の電圧目標値を求める電圧マップを保持しており、前記電圧マップを用いて前記電圧目標値を求め、かつ、
   前記周波数目標値に一致した前記出力周波数で前記高周波電源部が給電していて、前記受電電圧が前記電圧目標値に一致しない場合は、前記出力周波数を微調整する静電結合方式非接触給電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記電圧検出手段は、前記高周波電源部と前記直列共振回路との間に直列接続された双方向性結合器と、前記双方向性結合器で分離された前記進行波電圧および前記反射波電圧を測定する電圧測定器と、を含む静電結合方式非接触給電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記補助電圧検出手段は、前記固定部に設けられて前記受電用電極に離隔対向する補助電極と、前記補助電極に誘起される補助電圧を測定する電圧測定器と、を含む静電結合方式非接触給電装置。
7. 請求項６において、前記補助電極は、前記給電用電極と同一平面上に配置されている静電結合方式非接触給電装置。
8. 固定部に設けられた給電用電極と、
   前記給電用電極に高周波電力を給電する高周波電源部と、
   前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記給電用電極に離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る受電用電極と、
   前記受電用電極が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電気負荷に給電する受電変換部と、
   前記給電用電極と前記受電用電極とにより構成されるコンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する共振用インダクタと、を備えた静電結合方式非接触給電装置の制御方法であって、
   前記高周波電源部と前記直列共振回路との間で、前記高周波電源部から前記直列共振回路に向かう進行波の進行波電圧および逆方向の反射波の反射波電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記固定部側で、前記受電用電極に発生する受電電圧を非接触で検出する補助電圧検出ステップと、
   前記進行波電圧および前記反射波電圧に基づいて前記直列共振回路を含む負荷側インピーダンスを演算し、前記受電電圧に基づいて前記直列共振回路の共振状況を判定し、前記負荷側インピーダンスおよび前記共振状況に基づいて前記高周波電源部の出力周波数および出力電圧の少なくとも一方を可変に制御する演算制御ステップと、
   を有する静電結合方式非接触給電装置の制御方法。

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