JP6625689B2 - コイル部材、非接触型電力伝送装置、電磁波照射／受信装置、電力伝送／情報通信装置及び自律可動型ロボットシステム - Google Patents

Description

本開示は、傾き動作を伴う複数の機構部間での電力伝送技術に関する。

傾き動作を伴う複数の機構部間において、電力伝送を行なうことがある。ここで、従来の「接触型」電力伝送装置では、傾き軸について１セットの回転可能な「接触型」電極を備えるため、電極摩耗、機械的振動及び屈曲疲労による導通不良及びメンテナンス作業が発生する。一方で、従来の「非接触型」電力伝送装置では、傾き軸について１セットの回転可能な「磁界結合」コイルを備えるため、電極摩耗、機械振動及び屈曲疲労による導通不良及びメンテナンス作業が発生しない（特許文献１等を参照。）。

特開２０１５−２２０８０１号公報

ここで、従来の非接触型電力伝送装置では、傾き軸について１セットの回転可能な「対向配置」コイルを備える。よって、対向配置コイル間の間隔を狭め過ぎれば、対向配置コイル間の磁界結合は強くなるが、傾き動作による対向配置コイル間の機械的干渉が生じやすい。一方で、対向配置コイル間の間隔を広げ過ぎれば、傾き動作による対向配置コイル間の機械的干渉は生じにくいが、対向配置コイル間の磁界結合が弱くなる。

そこで、傾き軸について１セットの回転可能な「外内配置」コイルを備えるにあたり、外側のコイルの断面の長軸方向に沿って、外側のコイルのサイズを大きくすることが考えられる（図１を参照。）。すると、傾き動作による外内配置コイル間の機械的干渉は生じにくいが、非接触型電力伝送装置のサイズは大きくなる。そして、外内配置コイル間の磁界結合は、傾き動作時では非傾き動作時より弱くなるため、傾き動作時と非傾き動作時との間で、電源定数及び制御定数を変更する必要があり、回路構成が複雑で大きくなる。さらに、回路構成の条件によっては、動作切替の応答性が悪くなることがある。

さらに、傾き軸について１セットの回転可能な「並行配置」コイルを備えるにあたり、一方のコイルの断面の長軸方向に沿って、一方のコイルのサイズを大きくすることが考えられる（図２を参照。）。すると、並行配置コイル間の磁界結合は傾き動作時でも保たれるが、非接触型電力伝送装置のサイズは大きくなる。そして、並行配置コイル間の磁界結合は、傾き動作時では非傾き動作時より弱くなるため、傾き動作時と非傾き動作時との間で、電源定数及び制御定数を変更する必要があり、回路構成が複雑で大きくなる。さらに、回路構成の条件によっては、動作切替の応答性が悪くなることがある。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、傾き動作を伴う複数の機構部間での非接触型電力伝送装置において、装置の小型化を図ること、傾き動作の可動範囲を広げること、及び、コイル間の磁界結合を傾き角度によらず一定に保つことを目的とする。

前記課題を解決するために、傾き軸について１セットの回転可能なコイルを備えるにあたり、一方のコイルの断面の長軸方向に沿って、かつ、一方のコイルの断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、一方のコイルの断面を湾曲させる。

具体的には、本開示は、オバール形の周囲に沿って、導線が巻回されており、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、前記オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、前記オバール形断面が湾曲していることを特徴とするコイル部材である。

この構成によれば、「外内配置」及び「並行配置」のいずれの場合でも、コイル部材の長軸方向の全長（傾き動作の可動範囲）を従来と同様としたとしても、コイル部材の見かけの大きさ（両端部間の直線距離）を従来より小さくすることができる。

また、本開示は、前記オバール形断面は、全体的に円弧状又は円周状に湾曲していることを特徴とするコイル部材である。

この構成によれば、コイル間の磁界結合が傾き角度によらずより一定となる。

また、本開示は、前記オバール形断面は、部分的に湾曲しており、全体的に前記湾曲軸を包囲していることを特徴とするコイル部材である。

この構成によれば、コイル間の磁界結合が傾き角度によらずほぼ一定となる。

また、本開示は、前記コイル部材の導線は、多層に積み上げて巻回されていることを特徴とするコイル部材である。

この構成によれば、電力伝送の周波数がｋＨｚオーダーであり低いときや、電力伝送の要求出力が高いときは、多層に巻回され湾曲されたコイル部材を適用可能となる。

また、本開示は、前記コイル部材の導線は、１層の渦巻き形に巻回されていることを特徴とするコイル部材である。

この構成によれば、電力伝送の周波数がＭＨｚオーダーであり高いときや、電力伝送の要求出力が低いときに、１層に巻回され湾曲されたコイル部材を適用可能となる。

また、本開示は、第１コイルとしての以上に記載のコイル部材と、第２コイルと、前記湾曲軸を回転軸として、前記第１コイルの回転対称軸である前記第１コイルの中心軸と前記第２コイルの中心軸との間の傾きを可変とする傾き可変部材と、を備えることを特徴とする非接触型電力伝送装置である。

この構成によれば、傾き動作によるコイル間の機械的干渉は生じにくいうえに、非接触型電力伝送装置のサイズは小さくなる。そして、コイル間の磁界結合は、傾き動作時でも非傾き動作時でも一定に保たれるため、傾き動作時と非傾き動作時との間で、電源定数及び制御定数を変更する必要がなく、回路構成が簡素で小さくできる。さらに、回路構成の条件によっては、動作切替の応答性が良くなることがある。

また、本開示は、前記第１コイル及び前記第２コイルのいずれかのコイルの中心軸を回転軸として、前記第１コイル及び前記第２コイルのいずれかのコイルを回転させるコイル回転部材、をさらに備えることを特徴とする非接触型電力伝送装置である。

この構成によれば、傾き動作を伴う複数の機構部間での非接触型電力伝送装置において、傾き軸および回転軸について「合わせて」１セットの回転可能なコイルを備えるため、傾き動作に加えて回転動作も行えるうえに、装置の小型化を図ることができる。

また、本開示は、前記第１コイルは、外側に配置され、前記第２コイルは、内側に配置されることを特徴とする非接触型電力伝送装置である。

この構成によれば、傾き動作を伴う複数の機構部間での非接触型電力伝送装置において、上述したように、装置の小型化を図ること、傾き動作の可動範囲を広げること、及び、外内配置コイル間の磁界結合を傾き角度によらず一定に保つことができる。

また、本開示は、前記第１コイルと前記第２コイルとは、互いに並行して配置されることを特徴とする非接触型電力伝送装置である。

この構成によれば、傾き動作を伴う複数の機構部間での非接触型電力伝送装置において、上述したように、装置の小型化を図ること、傾き動作の可動範囲を広げること、及び、並行配置コイル間の磁界結合を傾き角度によらず一定に保つことができる。

また、本開示は、以上に記載の非接触型電力伝送装置を備え、電磁波の照射及び／又は受信の指向方向を可変とすることを特徴とする電磁波照射／受信装置である。

この構成によれば、非接触型電力伝送装置を電磁波照射／受信に適用可能となる。

また、本開示は、以上に記載の非接触型電力伝送装置と、前記第１コイルを外側から保持する第１コイル保持部材と、前記第２コイルを内側から保持する第２コイル保持部材と、前記第１コイルと前記第２コイルとの中心軸の間の傾きがないときに、前記第２コイル保持部材の先端と対向する前記第１コイル保持部材の場所に配置される第１無線通信機と、前記第２コイル保持部材の先端に配置される第２無線通信機と、を備えることを特徴とする電力伝送／情報通信装置である。

この構成によれば、非接触型電力伝送装置を電力伝送／情報通信に適用可能となる。

また、本開示は、以上に記載の電力伝送／情報通信装置と、前記電力伝送／情報通信装置を搭載される自律可動型ロボット装置と、前記第２コイルと磁界結合する前記第１コイルに接続され、前記電力伝送／情報通信装置から前記自律可動型ロボット装置への電力伝送を行う第１電力伝送線と、前記第２無線通信機と無線通信を行う前記第１無線通信機に接続され、前記電力伝送／情報通信装置と前記自律可動型ロボット装置との間の情報通信を行う第１情報通信線と、前記第２コイル保持部材に沿って配置され、前記第２コイルに接続され、外部から前記電力伝送／情報通信装置への電力伝送を行う第２電力伝送線と、前記第２コイル保持部材に沿って配置され、前記第２無線通信機に接続され、外部と前記電力伝送／情報通信装置との間の情報通信を行う第２情報通信線と、を備えることを特徴とする自律可動型ロボットシステムである。

この構成によれば、電力伝送／情報通信装置を自律可動型ロボットに適用可能である。

このように、本開示は、傾き動作を伴う複数の機構部間での非接触型電力伝送装置において、装置の小型化を図ること、傾き動作の可動範囲を広げること、及び、コイル間の磁界結合を傾き角度によらず一定に保つことができる。

第１比較例の非接触型電力伝送装置の構成を示す図である。 第２比較例の非接触型電力伝送装置の構成を示す図である。 本開示のコイル部材の第１の製造方法を示す図である。 本開示のコイル部材の第２の製造方法を示す図である。 本開示のコイル部材の第３の製造方法を示す図である。 本開示のコイル部材の第４の製造方法を示す図である。 第１実施形態の非接触型電力伝送装置の構成を示す図である。 第２実施形態の非接触型電力伝送装置の構成を示す図である。 第３実施形態の非接触型電力伝送装置の構成を示す図である。 本開示及び比較例の非接触型電力伝送装置の結合係数を示す図である。 本開示のコイル部材の末端形状とコイル間の結合係数との関係を示す図である。 第４実施形態の電磁波照射／受信装置の構成を示す図である。 第５実施形態の電力伝送／情報通信装置の構成を示す図である。 第６実施形態の電力伝送／情報通信装置の構成を示す図である。 第７実施形態の自律可動型ロボットシステムの構成を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（比較例の非接触型電力伝送装置）
第１比較例の非接触型電力伝送装置Ｐ１の構成を図１に示す。第２比較例の非接触型電力伝送装置Ｐ２の構成を図２に示す。非接触型電力伝送装置Ｐ１は、第１コイル１１、第２コイル１２、傾き軸１３、ベアリング１４、フレーム１５及び支持部材１６から構成される。非接触型電力伝送装置Ｐ２は、第１コイル２１、第２コイル２２、傾き軸２３、ベアリング２４、フレーム２５及び支持部材２６から構成される。

図１、２の左上欄は、傾きがないときでの正面図を示す。図１、２の右上欄は、傾きがあるときでの正面図を示す。図１、２の左下欄は、傾きがないときでの平面図を示す。図１、２の右下欄は、傾きがないときでの右側面図を示す。ここで、図１、２の左上欄の正面図、図１、２の右上欄の正面図及び図１、２の左下欄の平面図では、フレーム１５、２５については断面形状を示すが、他の部材については平面投影形状を示す。

第１コイル１１及び第２コイル１２は、それぞれ、外側及び内側に配置される。ここで、第１コイル１１及び第２コイル１２は、第１コイル１１の中心軸と第２コイル１２の中心軸とが互いに平行であるときに、外側と内側とで互いに重なり合う。第１コイル２１及び第２コイル２２は、互いに並行して配置される。ここで、第１コイル２１及び第２コイル２２は、第１コイル２１の中心軸と第２コイル２２の中心軸とが互いに平行であるときに、非接触型電力伝送装置Ｐ２の正面から見て互いに重なり合う。

第１コイル１１、２１は、第１コイル１１、２１の中心軸に垂直なオバール形断面を有する。ここで、オバール形とは、少なくとも１本の対称軸を有する平面図形であり、長円形、楕円形及び円形等である。なお、第２コイル１２、２２は、円柱形コイル等である。

傾き軸１３、２３は、第１コイル１１、２１の中心軸と第２コイル１２、２２の中心軸との間の傾きを可変とする。ここで、中心軸間の傾き角度が大きくなっても、コイル間の磁界結合が保たれるように、傾き軸１３、２３が配置される。ベアリング１４、２４は、第２コイル１２、２２の中心軸を回転軸として、第２コイル１２、２２を回転させる。ここで、傾き軸１３、２３及びベアリング１４、２４のように、回転軸は２本あるが、第１コイル１１、２１及び第２コイル１２、２２のように、コイルは１セットのみである。

フレーム１５、２５は、第１コイル１１、２１を外側から保持する。ここで、フレーム１５、２５は、コイル間の磁界結合を妨げないような、材料（例えば、樹脂等。）からなる構造を有する。支持部材１６、２６は、第２コイル１２、２２を内側から保持する。ここで、支持部材１６、２６は、金属等からなる軸部材又はパイプである。

よって、第２コイル１２は、フレーム１５の内部に収容される。そして、傾き軸１３は、フレーム１５の内部に固定され、第２コイル１２、ベアリング１４及び支持部材１６を一体として傾斜させる。一方で、第２コイル２２は、フレーム２５の外部に配置される。そして、傾き軸２３は、フレーム２５の内部に固定され、フレーム２５の外部に突出して、第２コイル２２、ベアリング２４及び支持部材２６を一体として傾斜させる。なお、第２コイル１２、２２の傾き動作面に平行なフレーム１５、２５の外壁面は、平坦面となっている（図１、２の左下欄の平面図及び図１、２の右下欄の右側面図を参照。）。

ここで、傾き軸について１セットの回転可能なコイルを備えるにあたり、第１コイル１１、２１の断面の長軸方向に沿って、第１コイル１１、２１のサイズを大きくすることが考えられる。すると、傾き動作によるコイル間の機械的干渉は生じにくいが、非接触型電力伝送装置Ｐ１、Ｐ２のサイズは大きくなる。そして、コイル間の磁界結合は、傾き動作時では非傾き動作時より弱くなるため、傾き動作時と非傾き動作時との間で、電源定数及び制御定数を変更する必要があり、回路構成が複雑で大きくなる。さらに、回路構成の条件によっては、動作切替の応答性が悪くなることがある。

（本開示のコイル部材の製造方法）
そこで、傾き軸について１セットの回転可能なコイルを備えるにあたり、一方のコイルの断面の長軸方向に沿って、かつ、一方のコイルの断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、一方のコイルの断面を湾曲させることが考えられる。

本開示のコイル部材Ｃの第１の製造方法を図３に示す。本開示のコイル部材Ｃの第２の製造方法を図４に示す。本開示のコイル部材Ｃの第３の製造方法を図５に示す。

第１の製造方法では、電力伝送の周波数がｋＨｚオーダーであり低いときや、電力伝送の要求出力が高いときに、多層に巻回され湾曲されたコイル部材Ｃを適用可能とする。コイル部材Ｃは、ボビンＢを用いて以下のように製造される。

ボビンＢは、導線が巻回される巻回部Ｂ１と、導線を係止する鍔部Ｂ２（巻回部Ｂ１を見やすくするため、一方の鍔部Ｂ２を図示し、他方の鍔部Ｂ２を不図示。）と、から構成される。巻回部Ｂ１では、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。空洞部Ｂ３は、巻回部Ｂ１及び鍔部Ｂ２を貫通し、図７で後述するように、第１コイル３１及び第２コイル３２がそれぞれ外側及び内側に配置されるようにする。

まず、巻回部Ｂ１に導線を巻回し、コイル部材Ｃを形成する。次に、テープ、接着剤、溶剤を含むと接着効果を有する被覆材、又は、熱をかけると融着効果を有する被覆材等を用いて、コイル部材Ｃを一体成型する。次に、コイル部材Ｃを巻回部Ｂ１に巻回したままで、図７、８で後述するように、コイル部材Ｃをフレーム３５、４５に取り付ける。

よって、第１の製造方法でのコイル部材Ｃでは、オバール形の周囲に沿って、導線が多層に積み上げて巻回されており、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。

第２の製造方法でも、電力伝送の周波数がｋＨｚオーダーであり低いときや、電力伝送の要求出力が高いときに、多層に巻回され湾曲されたコイル部材Ｃを適用可能とする。コイル部材Ｃは、ボビンＢを用いて以下のように製造される。

ボビンＢは、導線が巻回される巻回部Ｂ１と、導線を係止する鍔部Ｂ２（コイル部材Ｃを巻回部Ｂ１から取り外すため、鍔部Ｂ２は両端のうち一方のみに存在する。）と、から構成される。巻回部Ｂ１では、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。空洞部Ｂ３は、巻回部Ｂ１及び鍔部Ｂ２を貫通し、図７で後述するように、第１コイル３１及び第２コイル３２がそれぞれ外側及び内側に配置されるようにする。

まず、巻回部Ｂ１に導線を巻回し、コイル部材Ｃを形成する。次に、テープ、接着剤、溶剤を含むと接着効果を有する被覆材、又は、熱をかけると融着効果を有する被覆材等を用いて、コイル部材Ｃを一体成型する。次に、コイル部材Ｃを巻回部Ｂ１から取り外してから、図７、８で後述するように、コイル部材Ｃをフレーム３５、４５に取り付ける。

よって、第２の製造方法でのコイル部材Ｃでも、オバール形の周囲に沿って、導線が多層に積み上げて巻回されており、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。

第３の製造方法では、電力伝送の周波数がＭＨｚオーダーであり高いときや、電力伝送の要求出力が低いときに、１層に巻回され湾曲されたコイル部材Ｃを適用可能とする。コイル部材Ｃは、フレキシブル基板Ｆを用いて以下のように製造される。

まず、フレキシブル基板Ｆにオバール形及び渦巻き形の配線を形成し、コイル部材Ｃを形成する。次に、コイル部材Ｃの内側において、フレキシブル基板Ｆを穴加工する。又は、コイル部材Ｃの形成前において、フレキシブル基板Ｆを穴加工する。ここで、コイル部材Ｃの内側において、フレキシブル基板Ｆを穴加工することにより、図７で後述するように、第１コイル３１及び第２コイル３２がそれぞれ外側及び内側に配置されるようにする。次に、コイル部材Ｃのオバール形の長軸方向に沿って、かつ、コイル部材Ｃのオバール形の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、フレキシブル基板Ｆを全体的に円弧状に湾曲させる。次に、図７、８で後述するように、コイル部材Ｃをフレーム３５、４５に取り付ける。

よって、第３の製造方法でのコイル部材Ｃでは、オバール形の周囲に沿って、導線が１層の渦巻き形に巻回されており、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。

なお、導線が多層に積み上げて巻回されたコイル部材Ｃについては、導線を多層に積み上げて巻回した後に、コイル部材Ｃを全体的に円弧状に湾曲させると、湾曲軸から遠い導線ほど引き伸ばされ、湾曲軸から近い導線ほど押し縮められ、コイル部材Ｃにストレスがかかる。そこで、第３の製造方法を適用しないで、第１、２の製造方法を適用するのである。また、電力伝送の周波数が数十〜数百ｋＨｚオーダーであるときには、コイル部材Ｃの導線を単線（フレキシブル基板Ｆの単線を含む）とすれば、表皮効果による電力損失が大きくなるため、コイル部材Ｃの導線を一般的にリッツ線とする。このとき、フレキシブル基板Ｆの多層化は困難であり、リッツ線の多層巻きが一般的である。

以上の説明では、コイル部材Ｃでは、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。第１の変形例として、コイル部材Ｃでは、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に近い任意形状に湾曲してもよい。第２の変形例として、コイル部材Ｃでは、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に３６０°に近い円周状に湾曲してもよい。図６に示したように、第４の製造方法として、コイル部材Ｃでは、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が部分的に（図６では２か所）湾曲しており、全体的に湾曲軸を包囲してもよい。

（本開示の非接触型電力伝送装置）
第１実施形態の非接触型電力伝送装置Ｐ３の構成を図７に示す。第２実施形態の非接触型電力伝送装置Ｐ４の構成を図８に示す。非接触型電力伝送装置Ｐ３は、第１コイル３１、第２コイル３２、傾き軸３３、ベアリング３４、フレーム３５及び支持部材３６から構成される。非接触型電力伝送装置Ｐ４は、第１コイル４１、第２コイル４２、傾き軸４３、ベアリング４４、フレーム４５及び支持部材４６から構成される。

図７、８の左上欄は、傾きがないときでの正面図を示す。図７、８の右上欄は、傾きがあるときでの正面図を示す。図７、８の左下欄は、傾きがないときでの平面図を示す。図７、８の右下欄は、傾きがないときでの右側面図を示す。ここで、図７、８の左上欄の正面図及び図７、８の右上欄の正面図では、フレーム３５については第２コイル３２の配置位置での断面形状を示し、フレーム４５については第１コイル４１の断面の長軸を含む面内での断面形状を示すが、他の部材については平面投影形状を示す。

第１コイル３１及び第２コイル３２は、それぞれ、外側及び内側に配置される。ここで、第１コイル３１及び第２コイル３２は、第１コイル３１の中心軸（第１コイル３１の回転対称軸と同軸。）と第２コイル３２の中心軸とが互いに平行であるときに、外側と内側とで互いに重なり合う。第１コイル４１及び第２コイル４２は、互いに並行して配置される。ここで、第１コイル４１及び第２コイル４２は、第１コイル４１の中心軸（第１コイル４１の回転対称軸と同軸。）と第２コイル４２の中心軸とが互いに平行であるときに、非接触型電力伝送装置Ｐ４の正面から見て互いに重なり合う。

第１コイル３１、４１では、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲している。なお、第２コイル３２、４２は、円柱形コイル等である。

傾き軸３３、４３は、第１コイル３１、４１の中心軸（第１コイル３１、４１の回転対称軸と同軸。）と第２コイル３２、４２の中心軸との間の傾きを可変とする。ここで、中心軸間の傾き角度が大きくなっても、コイル間の磁界結合が保たれるように、傾き軸３３、４３が上記湾曲軸と同軸に配置される。ベアリング３４、４４は、第２コイル３２、４２の中心軸を回転軸として、第２コイル３２、４２を回転させる。ここで、傾き軸３３、４３及びベアリング３４、４４のように、回転軸は２本あるが、第１コイル３１、４１及び第２コイル３２、４２のように、コイルは１セットのみである。

フレーム３５、４５は、第１コイル３１、４１を外側から保持する。ここで、フレーム３５、４５は、コイル間の磁界結合を妨げないような、材料（例えば、樹脂等。）からなる構造を有する。支持部材３６、４６は、第２コイル３２、４２を内側から保持する。ここで、支持部材３６、４６は、金属等からなる軸部材又はパイプである。

よって、第２コイル３２は、フレーム３５の内部に収容される。そして、傾き軸３３は、フレーム３５の内部に固定され、第２コイル３２、ベアリング３４及び支持部材３６を一体として傾斜させる。一方で、第２コイル４２は、フレーム４５の外部に配置される。そして、傾き軸４３は、フレーム４５の内部に固定され、フレーム４５の外部に突出して、第２コイル４２、ベアリング４４及び支持部材４６を一体として傾斜させる。なお、第２コイル３２、４２の傾き動作面に平行なフレーム３５、４５の外壁面は、平坦面となっている（図７、８の左下欄の平面図及び図７、８の右下欄の右側面図を参照。）。

このように、傾き軸について１セットの回転可能なコイルを備えるにあたり、第１コイル３１、４１の断面の長軸方向に沿って、かつ、第１コイル３１、４１の断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、第１コイル３１、４１の断面を湾曲させることとしている。すると、傾き動作によるコイル間の機械的干渉は生じにくいうえに、非接触型電力伝送装置Ｐ３、Ｐ４のサイズは小さくなる。そして、コイル間の磁界結合は、傾き動作時でも非傾き動作時でも一定に保たれるため、傾き動作時と非傾き動作時との間で、電源定数及び制御定数を変更する必要がなく、回路構成が簡素で小さくできる。さらに、回路構成の条件によっては、動作切替の応答性が良くなることがある。

以上の説明では、第１コイル３１、４１では、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲しており、傾き軸３３、４３は、上記湾曲軸を回転軸として、第１コイル３１、４１の中心軸と第２コイル３２、４２の中心軸との間の傾きを可変とする。図９に示したように、第３の実施形態として、第１コイル３１（４１）では、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が部分的に（図９では２か所）湾曲しており、全体的に湾曲軸を包囲してもよく、傾き軸３３（４３）等の回転部は、上記湾曲軸を回転軸として、第１コイル３１（４１）の中心軸と第２コイル３２（４２）の中心軸との間の傾きを可変としてもよい。

以上の説明では、ベアリング３４、４４は、第２コイル３２、４２の中心軸を回転軸として、第２コイル３２、４２を回転させる。より一般的に、ベアリング３４、４４等の回転部は、第１コイル３１、４１及び第２コイル３２、４２のいずれかの中心軸を回転軸として、第１コイル３１、４１及び第２コイル３２、４２のいずれかを回転させてもよい。

なお、第２コイル３２、４２と支持部材３６、４６との間に、磁性体（図７、８の砂地で示した箇所）を配置することにより、支持部材３６、４６が金属であるときでも、支持部材３６、４６での渦電流損失を防止することができる。また、第１コイル３１、４１とフレーム３５、４５との間に、磁性体を配置することにより、フレーム３５、４５が金属であるときでも、フレーム３５、４５での渦電流損失を防止することができる。

さらに、第１コイル４１の空隙に磁性体を配置することにより、コイル間の磁界結合を強くすることができる。ここで、第１コイル４１の空隙に配置する磁性体では、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、オバール形断面が全体的に円弧状に湾曲していることが望ましい。なぜならば、コイル間の磁界結合を傾き動作時でも非傾き動作時でも一定に保つためである。

（非接触型電力伝送装置の結合係数）
本開示及び比較例の非接触型電力伝送装置Ｐ１、Ｐ３の結合係数を図１０に示す。図１０の縦軸は、コイル間の結合係数ｋを示し、図１０の横軸は、コイル間の傾き角度を示す。ここで、第２コイル１２、３２の断面のサイズは同様である。そして、第１コイル１１、３１の見かけのサイズ（両端部間の直線距離）も同様である。よって、第１コイル３１の磁束発生面のサイズは、第１コイル１１の磁束発生面のサイズより大きい。なお、非接触型電力伝送装置Ｐ１において、コイル間の傾き角度を約±６０°まで広げるように、傾き軸１３の配置位置を第１コイル１１の配置位置に近づけている。

コイル間の傾き角度が０度であるときには、非接触型電力伝送装置Ｐ１では、コイル間の結合係数は、ｋ〜０．４０であり大きめであるが、非接触型電力伝送装置Ｐ３では、コイル間の結合係数は、ｋ〜０．２５であり小さめである。なぜならば、第２コイル１２、３２の断面のサイズが同じであるときに、非接触型電力伝送装置Ｐ１では、第１コイル１１の磁束発生面のサイズは小さいが、非接触型電力伝送装置Ｐ３では、第１コイル３１の磁束発生面のサイズは大きいからである。ここで、結合係数は、一方のコイルから発生した磁束のうち、他方のコイルではどの程度の割合で鎖交するか、により決まる。よって、受け側のコイルの断面のサイズが同様であり、発生した磁束の方向が同様であれば、発生側のコイルの磁束発生面のサイズが大きいほど、結合係数が小さくなる。

コイル間の傾き角度が大きくなるにつれて、非接触型電力伝送装置Ｐ１では、コイル間の結合係数は、ｋ〜０．４０からｋ〜０．２０へと小さくなるが、非接触型電力伝送装置Ｐ３では、コイル間の結合係数は、ｋ〜０．２５のまま保たれている。なぜならば、非接触型電力伝送装置Ｐ１では、第１コイル１１が発生する磁束の方向は、第２コイル１２の中心軸の方向に平行でないが、非接触型電力伝送装置Ｐ３では、第１コイル３１が発生する磁束の方向は、第１コイル３１の湾曲径の方向に向いたままだからである。上述のように、回路設計上で重要となるのは、コイル間の結合係数の大きさよりも、コイル間の傾き角度変化によるコイル間の結合係数変化の小ささである。この意味では、非接触型電力伝送装置Ｐ１を採用するよりも、非接触型電力伝送装置Ｐ３を採用するのが望ましい。

なお、非接触型電力伝送装置Ｐ３において、部分的に湾曲しているオバール形断面を採用するときには、オバール形断面の部分的な湾曲位置（図９では、コイル間の傾き角度が約±４５°であるとき。）に対応して、コイル間の結合係数に特異点が生じる。また、非接触型電力伝送装置Ｐ３において、第２コイル３２の配置位置が第１コイル３１の末端近傍に近づいたときには、第２コイル３２の配置位置が第１コイル３１の末端近傍以外であるときより、コイル間の距離が近くなるため、コイル間の結合係数に上昇が生じる。

本開示のコイル部材の末端形状とコイル間の結合係数との関係を図１１に示す。図１１の左欄は、コイル間の結合係数が上昇する幅が大きい場合を示し、図１１の中欄は、コイル間の結合係数が上昇する幅が中程度である場合を示し、図１１の右欄は、コイル間の結合係数が上昇する幅が小さい場合を示す。図１１の上欄は、第１コイル３１と第２コイル３２との位置関係を示す。図１１の下欄は、第１コイル４１と第２コイル４２との位置関係を示す。

第１コイル３１の末端が円弧形状であるときには、第２コイル３２の配置位置が第１コイル３１の末端近傍に近づくと、第１コイル３１と第２コイル３２との距離が近くなり、コイル間の結合係数が上昇する幅が大きい。第１コイル４１の末端が膨らみ形状であるときには、第２コイル４２の配置位置が第１コイル４１の末端近傍に近づくと、第１コイル４１と第２コイル４２との距離が近くなり、コイル間の結合係数が上昇する幅が大きい。

第１コイル３１の末端が方形形状であるときには、第２コイル３２の配置位置が第１コイル３１の末端近傍に近づくと、第１コイル３１と第２コイル３２との距離が中程度となり、コイル間の結合係数が上昇する幅が中程度である。第１コイル４１の末端が方形形状であるときには、第２コイル４２の配置位置が第１コイル４１の末端近傍に近づくと、第１コイル４１と第２コイル４２との距離が中程度となり、コイル間の結合係数が上昇する幅が中程度である。

第１コイル３１の末端が膨らみ形状であるときには、第２コイル３２の配置位置が第１コイル３１の末端近傍に近づくと、第１コイル３１と第２コイル３２との距離が遠くなり、コイル間の結合係数が上昇する幅が小さい。第１コイル４１の末端が円弧形状であるときには、第２コイル４２の配置位置が第１コイル４１の末端近傍に近づくと、第１コイル４１と第２コイル４２との距離が遠くなり、コイル間の結合係数が上昇する幅が小さい。

（本開示の電磁波照射／受信装置）
第４実施形態の電磁波照射／受信装置Ａの構成を図１２に示す。電磁波照射／受信装置Ａは、非接触型電力伝送装置Ｐ３、送電側制御装置５１、送電側電源５２、固定部材５３、受電側制御装置５４、受電側電源５５、照射／受信機器５６及び照射／受信部材５７から構成される。

図１２の左欄は、傾きがないときでの正面図を示す。図１２の右欄は、傾きがあるときでの正面図を示す。ここで、図１２の左欄の正面図及び図１２の右欄の正面図では、フレーム３５については第２コイル３２の配置位置での断面形状を示すが、他の部材については平面投影形状を示す。

送電側制御装置５１は、送電側電源５２を制御し、動作制御及びデータ伝送のために、無線装置を搭載する。送電側電源５２は、第２コイル３２に電力を伝送する。固定部材５３は、支持部材３６を固定し、送電側制御装置５１及び送電側電源５２を搭載する。

受電側制御装置５４は、受電側電源５５を制御し、動作制御及びデータ伝送のために、無線装置を搭載する。受電側電源５５は、フレーム３５に固定され、第１コイル３１から電力を受電する。照射／受信機器５６は、フレーム３５に固定され、照射／受信部材５７を制御する。照射／受信部材５７は、電磁波を照射及び／又は受信する。

ここで、電磁波照射／受信装置Ａは、照明装置、カメラ装置、赤外線センサ装置、Ｘ線解析装置及びレーダ装置等である。そして、照射／受信部材５７は、光源、レンズ、赤外線センサ、Ｘ線光源／センサ及び送受信アンテナ等である。

さらに、傾き軸３３のモータは、受電側電源５５から給電され、受電側制御装置５４により制御される。そして、ベアリング３４のモータは、送電側電源５２から給電され、送電側制御装置５１により制御される。よって、非接触型電力伝送装置Ｐ３の使命である、ワイヤレスによる送電側装置と独立な受電側装置の稼働を実現することができる。

なお、第４実施形態では、電磁波照射／受信装置Ａは、非接触型電力伝送装置Ｐ３を備えている。しかし、その他の変形例として、電磁波照射／受信装置Ａは、非接触型電力伝送装置Ｐ４を備えてもよい。

（本開示の電力伝送／情報通信装置）
第５実施形態の電力伝送／情報通信装置Ｐ６の構成を図１３に示す。第６実施形態の電力伝送／情報通信装置Ｐ７の構成を図１４に示す。電力伝送／情報通信装置Ｐ６は、第１コイル６１、第２コイル６２、傾き軸６３、ベアリング６４、フレーム６５、支持部材６６、第１無線通信機６７及び第２無線通信機６８から構成される。電力伝送／情報通信装置Ｐ７は、第１コイル７１、第２コイル７２、傾き軸７３、ベアリング７４、フレーム７５、支持部材７６、第１無線通信機７７及び第２無線通信機７８から構成される。

図１３、１４の左上欄は、傾きがないときでの正面図を示す。図１３、１４の右上欄は、傾きがあるときでの正面図を示す。図１３、１４の左下欄は、傾きがないときでの平面図を示す。図１３、１４の右下欄は、傾きがないときでの右側面図を示す。ここで、図１３、１４の左上欄の正面図及び図１３、１４の右上欄の正面図では、フレーム６５については第２コイル６２の配置位置での断面形状を示し、フレーム７５については第１コイル７１の断面の長軸を含む面内での断面形状を示すが、他の部材については平面投影形状を示す。ただし、図１４の左上欄の正面図及び図１４の右上欄の正面図では、第１無線通信機７７と第２無線通信機７８との対向を見やすくするため、第１無線通信機７７を示す。

第１コイル６１、第２コイル６２、傾き軸６３、ベアリング６４、フレーム６５及び支持部材６６は、第１コイル３１、第２コイル３２、傾き軸３３、ベアリング３４、フレーム３５及び支持部材３６と同様である。第１コイル７１、第２コイル７２、傾き軸７３、ベアリング７４、フレーム７５及び支持部材７６は、第１コイル４１、第２コイル４２、傾き軸４３、ベアリング４４、フレーム４５及び支持部材４６と同様である。

第１無線通信機６７、７７は、第１コイル６１、７１と第２コイル６２、７２との中心軸の間の傾きがないときに、支持部材６６、７６の先端と対向するフレーム６５、７５の場所に配置される。第２無線通信機６８、７８は、支持部材６６、７６の先端に配置される。なお、第１無線通信機６７と第２無線通信機６８とは、フレーム６５のうちの第１コイル６１を収容する内部で対向する。また、第１無線通信機７７と第２無線通信機７８とは、フレーム７５のうちの第２コイル７２側に突出した部分で対向する。

第１無線通信機６７、７７及び第２無線通信機６８、７８として、（１）電波による無線通信を行うアンテナであってもよく、（２）赤外線又は可視光による無線通信を行うＬＥＤ、ＬＤ及びＰＤ（さらにこれら周辺のレンズ部材）であってもよい。

このように、非接触型電力伝送装置Ｐ３、Ｐ４を用いて、電力伝送／情報通信装置Ｐ６、Ｐ７において、電力伝送と情報通信との融合を図ることができる。

ここで、支持部材６６、７６の先端とフレーム６５、７５の上記場所とは、第１無線通信機６７、７７と第２無線通信機６８、７８により接続される。よって、電力伝送／情報通信装置Ｐ６、Ｐ７の回転動作及び傾き動作の可動範囲が、有線ケーブルのねじれ、屈曲及び断線の問題により制限されることがない。

（本開示の自律可動型ロボットシステム）
第７実施形態の自律可動型ロボットシステムＳの構成を図１５に示す。自律可動型ロボットシステムＳは、電力伝送／情報通信装置Ｐ６、自律可動型ロボット装置Ｒ、送電側電源８１、第２電力伝送線８２、第１電力伝送線８３、情報処理端末８５、送電側制御装置８６及び第２情報通信線８７を備える。自律可動型ロボット装置Ｒは、受電側電源８４、第１情報通信線８８及び受電側制御装置８９を備える。

自律可動型ロボット装置Ｒは、電力伝送／情報通信装置Ｐ６を搭載される。例えば、自律可動型ロボット装置Ｒとして、自律歩行型ロボット装置、物品搬送型ロボット装置、ドローン装置及び水中探査型ロボット装置などが挙げられる。

第２電力伝送線８２は、支持部材６６に沿って配置され、第２コイル６２に接続され、送電側電源８１から電力伝送／情報通信装置Ｐ６への電力伝送を行う。例えば、第２電力伝送線８２として、大電力用の径が太いケーブルなどが挙げられる。

第２情報通信線８７は、支持部材６６に沿って配置され、第２無線通信機６８に接続され、情報処理端末８５及び送電側制御装置８６と電力伝送／情報通信装置Ｐ６との間の情報通信を行う。例えば、第２情報通信線８７として、大容量用の同軸ケーブル及び光ファイバケーブルなどが挙げられる。

第１電力伝送線８３は、第２コイル６２と磁界結合する第１コイル６１に接続され、電力伝送／情報通信装置Ｐ６から自律可動型ロボット装置Ｒの受電側電源８４への電力伝送を行う。ここで、第１電力伝送線８３は、電力伝送／情報通信装置Ｐ６の回転動作及び傾き動作によって、ねじれ及び屈曲を引き起こすことはない。

第１情報通信線８８は、第２無線通信機６８と無線通信を行う第１無線通信機６７に接続され、電力伝送／情報通信装置Ｐ６と自律可動型ロボット装置Ｒの受電側制御装置８９との間の情報通信を行う。ここで、第１情報通信線８８は、電力伝送／情報通信装置Ｐ６の回転動作及び傾き動作によって、ねじれ及び屈曲を引き起こすことはない。

このように、電力伝送／情報通信装置Ｐ６を用いて、自律可動型ロボットシステムＳにおいて、自律可動型ロボット装置Ｒを操作することができる。

ここで、送電側電源８１と電力伝送／情報通信装置Ｐ６とは、支持部材６６に沿って配置される第２電力伝送線８２により接続され、支持部材６６は、フレーム６５に対して相対的に回転動作及び傾き動作を行う。よって、自律可動型ロボット装置Ｒへの大電力伝送及びバッテリレスの長時間連続可動が必要なときでも、自律可動型ロボット装置Ｒの可動範囲が、第２電力伝送線８２のねじれ、屈曲及び断線の問題により制限されることが少なくなる。

そして、情報処理端末８５及び送電側制御装置８６と電力伝送／情報通信装置Ｐ６とは、支持部材６６に沿って配置される第２情報通信線８７により接続され、支持部材６６は、フレーム６５に対して相対的に回転動作及び傾き動作を行う。よって、自律可動型ロボット装置Ｒとの大容量通信及びリアルタイム通信が必要なときでも、自律可動型ロボット装置Ｒの可動範囲が、第２情報通信線８７のねじれ、屈曲及び断線の問題により制限されることが少なくなる。

なお、第７実施形態では、自律可動型ロボットシステムＳは、電力伝送／情報通信装置Ｐ６を備えている。しかし、その他の変形例として、自律可動型ロボットシステムＳは、電力伝送／情報通信装置Ｐ７を備えてもよい。

また、第７実施形態では、天井、壁、床及び他の装置などの固定部材Ｍに、送電側電源８１、情報処理端末８５及び送電側制御装置８６を固定している。しかし、その他の変形例として、天井、壁、床及び他の装置などの固定部材Ｍに、電源プラグ及び情報処理端末８５を配置する一方、電力伝送／情報通信装置Ｐ６の支持部材６６又は支持部材６６に固定された他の部材に、送電側電源８１及び送電側制御装置８６を固定してもよい。

本開示のコイル部材は、本開示の非接触型電力伝送装置、電磁波照射／受信装置、電力伝送／情報通信装置及び自律可動型ロボットシステム等に適用できる。本開示の非接触型電力伝送装置は、コネクタ、ロボット、光学機器及びレーダ等に適用できる。本開示の電磁波照射／受信装置は、光学機器及びレーダ等に適用できる。本開示の電力伝送／情報通信装置は、ロボット、光学機器及びレーダ等に適用できる。本開示の自律可動型ロボットシステムは、様々な種類のロボットに適用できる。

Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４：非接触型電力伝送装置
Ｂ：ボビン
Ｂ１：巻回部
Ｂ２：鍔部
Ｂ３：空洞部
Ｃ：コイル部材
Ｆ：フレキシブル基板
Ａ：電磁波照射／受信装置
Ｐ６、Ｐ７：電力伝送／情報通信装置
Ｓ：自律可動型ロボットシステム
Ｒ：自律可動型ロボット装置
Ｍ：固定部材
１１、２１、３１、４１、６１、７１：第１コイル
１２、２２、３２、４２、６２、７２：第２コイル
１３、２３、３３、４３、６３、７３：傾き軸
１４、２４、３４、４４、６４、７４：ベアリング
１５、２５、３５、４５、６５、７５：フレーム
１６、２６、３６、４６、６６、７６：支持部材
５１：送電側制御装置
５２：送電側電源
５３：固定部材
５４：受電側制御装置
５５：受電側電源
５６：照射／受信機器
５７：照射／受信部材
６７、７７：第１無線通信機
６８、７８：第２無線通信機
８１：送電側電源
８２：第２電力伝送線
８３：第１電力伝送線
８４：受電側電源
８５：情報処理端末
８６：送電側制御装置
８７：第２情報通信線
８８：第１情報通信線
８９：受電側制御装置

Claims (12)

1. オバール形の周囲に沿って、導線が巻回されており、オバール形断面の長軸方向に沿って、かつ、前記オバール形断面の短軸方向に平行な方向を湾曲軸として、前記オバール形断面が湾曲している第１コイルと、
   第２コイルと、
   前記第２コイルを内側から保持し、一端が前記湾曲軸に接続されている第２コイル保持部材と、
   前記湾曲軸を回転軸として前記第１コイル又は前記第２コイル保持部材を回転させる傾き可変部材と、
   を備えることを特徴とする、非接触型電力伝送装置。
2. 前記オバール形断面は、全体的に円弧状又は円周状に湾曲している
   ことを特徴とする、請求項１に記載の非接触型電力伝送装置。
3. 前記オバール形断面は、部分的に湾曲しており、全体的に前記湾曲軸を包囲している
   ことを特徴とする、請求項１に記載の非接触型電力伝送装置。
4. 前記第１コイルの導線は、多層に積み上げて巻回されている
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置。
5. 前記第１コイルの導線は、１層の渦巻き形に巻回されている
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置。
6. 前記第２コイル保持部材のうちの他端から前記第２コイルへの電力が供給される、
   請求項１から５のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置。
7. 前記第１コイル及び前記第２コイルのいずれかのコイルの中心軸を回転軸として、前記第１コイル及び前記第２コイルのいずれかのコイルを回転させるコイル回転部材、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載の非接触型電力伝送装置。
8. 前記第１コイルは、外側に配置され、前記第２コイルは、内側に配置される
   ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の非接触型電力伝送装置。
9. 前記第１コイルと前記第２コイルとは、互いに並行して配置される
   ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の非接触型電力伝送装置。
10. 請求項６から９のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置を備え、
    電磁波の照射及び／又は受信の指向方向を可変とする
    ことを特徴とする電磁波照射／受信装置。
11. 請求項６から９のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置と、
    前記第１コイルを外側から保持する第１コイル保持部材と、
    前記第１コイルと前記第２コイルとの中心軸の間の傾きがないときに、前記第２コイル保持部材の先端と対向する前記第１コイル保持部材の場所に配置される第１無線通信機と、
    前記第２コイル保持部材の先端に配置される第２無線通信機と、
    を備えることを特徴とする電力伝送／情報通信装置。
12. 請求項１１に記載の電力伝送／情報通信装置と、
    前記電力伝送／情報通信装置を搭載される自律可動型ロボット装置と、
    前記第２コイルと磁界結合する前記第１コイルに接続され、前記電力伝送／情報通信装置から前記自律可動型ロボット装置への電力伝送を行う第１電力伝送線と、
    前記第２無線通信機と無線通信を行う前記第１無線通信機に接続され、前記電力伝送／情報通信装置と前記自律可動型ロボット装置との間の情報通信を行う第１情報通信線と、
    前記第２コイル保持部材に沿って配置され、前記第２コイルに接続され、外部から前記電力伝送／情報通信装置への電力伝送を行う第２電力伝送線と、
    前記第２コイル保持部材に沿って配置され、前記第２無線通信機に接続され、外部と前記電力伝送／情報通信装置との間の情報通信を行う第２情報通信線と、
    を備えることを特徴とする自律可動型ロボットシステム。

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