JP6677523B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、固定部から移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関する。

多数の部品が装着された基板を生産する基板生産機として、はんだ印刷機、電子部品装着機、リフロー機、基板検査機などがある。これらの設備を連結して基板生産ラインを構成することが一般的になっている。さらに、モジュール化された同じ大きさの基板生産機を列設して基板生産ラインを構成する場合も多い。モジュール化された基板生産機を用いることにより、ラインの組み替え時やラインを長大化する増設時の段取り替え作業が容易になり、フレキシブルな基板生産ラインが実現される。

近年、基板生産ラインの各基板生産機で使用する機材や部材を、基板生産ラインに沿って移動する移動体に搬送させ、省力化および自動化を推進することが検討されている。さらに、移動体への給電手段として、非接触給電装置が考えられている。なお、非接触給電装置の用途は、基板生産ラインに限定されず、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野にわたっている。この種の非接触給電装置に関する技術例が特許文献１、２に開示されている。

特許文献１のワイヤレス受電装置は、受電コイルと、受電コイルが受電した交流電力を直流電力に整流する整流部と、直流電力を蓄電器に充電する充電部と、整流部の出力電圧値を検出する電圧検出部と、充電部に並列に接続されるスイッチング素子を含む電力抑制部と、スイッチング素子の動作を制御する制御部と、を備えている。そして、制御部は、出力電圧値が第１の基準電圧値を上回ったときにスイッチング素子をオンに制御する。これによれば、受電装置に過電圧などの異常が生じた場合、過電圧による大電流が充電部とスイッチング素子に分散されて流れることから劣化や破損を防止できる、とされている。

特許文献２の直動機構用無接触給電装置は、１次側トランスユニット（給電素子）を移動体の全移動範囲にわたり複数個間欠的に配置し、これらの１次側トランスユニットを高周波インバータにそれぞれスイッチを介して並列接続し、２次側トランスユニット（受電素子）を移動体に取り付けている。実施形態には、連結部品を用いて移動体に２個の２次側トランスユニットを搭載する構成例が開示されている。これによれば、移動体がどの位置にあっても、２個の２次側トランスユニットのうち１個は常に電力供給を受けられることになる、とされている。

特開２０１５−１２６５５号公報 特開平７−３２２５３５号公報

ところで、特許文献１の技術例では、蓄電器の充電状態が高められて充電電流値が小さくなると入力インピーダンスが上昇し、受電コイルの両端にかかる電圧が上昇してしまうおそれがある。このような負荷変動による過電圧のおそれを解消するため、特許文献２に例示されるように複数の受電コイル（２次側トランスユニット）を備えて、非接触給電を安定化する方策が考えられる。これによれば、充電部（充電回路）および蓄電器（バッテリ）を省略して、直接的に電気負荷を駆動することができる。充電部および蓄電器の省略は、受電装置を搭載した移動体の小形軽量化に貢献できて好ましい。

しかしながら、この方策を採用しても過電圧のおそれは完全には解消されず、複数組の受電コイルおよび整流部に対してそれぞれ電圧検出部を設けることになる。このため、受電装置を搭載した移動体は、大形化しかつ重量が増加して、移動に必要な駆動力が増加する。特に、駆動力を発生する電動式の駆動源を移動体に搭載している構成では、給電電力を増加させるために受電コイルの大形化が必要となり、移動体のさらなる重厚長大化を招いてしまう。

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あり、給電対象となる移動体に簡易な構成の電圧検出回路を備えて保護機能を高めつつ、移動体の小形軽量化を実現した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本発明の非接触給電装置は、固定部に設定された移動方向に沿って配置される複数の給電コイルと、複数の前記給電コイルに交流電力を供給する交流電源と、前記移動方向に沿って移動する移動体上に前記移動方向に沿って配置され、複数の前記給電コイルのうち対向するいずれかの前記給電コイルと電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る複数の受電コイルと、複数の前記受電コイルが受け取った交流電力をそれぞれ直流電圧に変換して出力する複数の整流回路と、複数の前記整流回路からそれぞれ出力される直流電圧が一つにまとめられて入力され、一つにまとめられた前記直流電圧を駆動電圧に変換して電気負荷に出力する変換回路と、前記変換回路の入力側に接続され、一つにまとめられた前記直流電圧を検出して監視する電圧検出回路と、前記交流電源と前記給電コイルとを接続する電路にそれぞれ介挿され、センサによって前記移動体の接近が検出されたときだけ閉路操作される複数の開閉スイッチと、前記給電コイルおよび前記受電コイルの少なくとも一方に接続されて共振回路を形成する共振用素子とを備えて、前記移動体に充電回路およびバッテリを不要とした非接触給電装置であって、前記固定部は、複数の基板生産機が列設された基板生産ラインであり、複数の前記基板生産機の列設方向に前記移動方向が設定されており、前記移動体は、各前記基板生産機で使用する機材および部材を搬送するものであり、複数の前記給電コイルは、複数の前記基板生産機の各々の前面に同数個ずつ配置されて、前記移動方向の前後で対称形状に形成され、複数の前記受電コイルは、前記移動体の前記給電コイルに対向する側面に配置されている。

本発明の非接触給電装置は、複数組の受電素子および整流回路に対して共通な電圧検出回路を用いて保護機能を高めるので、複数組に対して個別の電圧検出回路を用いる構成よりも簡素となる。また、移動体に複数の受電コイルを備えており、移動体の位置に関係なく常に、少なくとも１個の受電コイルが良好な受電状態となる。このため、移動体に従来設けられていた充電回路およびバッテリを不要化して、直接的に電気負荷を駆動できる。これらにより、基板生産ラインで搬送を行う移動体の小形軽量化が実現される。加えて、移動体が遠方に離隔している間、給電コイルは励磁されず、無駄な電気損失が発生しない。

第１実施形態の非接触給電装置の構成を模式的に説明する図である。 非接触給電装置の移動体の側の詳細な回路構成を示した回路図である。 従来技術の非接触給電装置の構成を模式的に説明する図である。 第２実施形態の非接触給電装置の構成を模式的に説明する図である。

（１．第１実施形態の非接触給電装置１の構成）
本発明の第１実施形態の非接触給電装置１について、図１および図２を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の非接触給電装置１の構成を模式的に説明する図である。第１実施形態の非接触給電装置１は、固定部に相当する基板生産ライン９に組み付けられている。図１に示されるように、基板生産ライン９は、３台の第１〜第３基板生産機９１、９２、９３が列設されて構成されている。図１の左右方向は、第１〜第３基板生産機９１、９２、９３の列設方向であり、後述する移動体９９の移動方向でもある。

各基板生産機９１、９２、９３は、モジュール化されており、列設方向の幅寸法ＭＬが互いに等しい。第１〜第３基板生産機９１、９２、９３、は列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替えが可能とされている。基板生産ライン９を構成する基板生産機の列設台数は４台以上でもよく、後から列設台数を増やすモジュール増設対応も可能になっている。第１〜第３基板生産機９１、９２、９３として、電子部品装着機を例示でき、これに限定されない。

第１〜第３基板生産機９１、９２、９３の前方には、列設方向に延在する図略のガイドレールが配設されている。移動体９９は、ガイドレールに沿って移動方向（第１〜第３基板生産機９１、９２、９３の列設方向）に移動する。移動体９９は、各基板生産機９１、９２、９３で使用する機材や部材を図略の保管庫から搬入し、使用後の機材や部材を保管庫に戻す役割を担っている。

第１実施形態の非接触給電装置１は、移動体９９を給電対象として、第１〜第３基板生産機９１、９２、９３から電磁結合方式で非接触給電を行う装置である。非接触給電装置１は、第１〜第３基板生産機９１、９２、９３に、それぞれ交流電源２、給電コイル３１、および給電側コンデンサ３５を備える。また、非接触給電装置１は、移動体９９に２個の受電コイル４１、２個の受電側コンデンサ４５、受電回路５、電気負荷６、および電圧検出回路７を備える。

３台の基板生産機９１、９２、９３、およびモジュール化された他の基板生産機の非接触給電装置１に関する構成は同一であるので、以降では第１基板生産機９１に詳細な符号を付して説明する。交流電源２は、例えば、直流電圧を供給する直流電源部と、直流電圧を交流変換する公知のブリッジ回路とを用いて構成できる。交流電源２の第１出力端子２１は、給電コイル３１の一端３１１に直結されており、第２出力端子２２は、給電側コンデンサ３５の一端３５１に接続されている。交流電圧の周波数は、後述する給電側共振回路および受電側共振回路の共振周波数に基づいて設定されることが好ましい。交流電源の周波数として、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚのオーダーを例示でき、これに限定されない。交流電源２は、電圧値や周波数などを調整する機能を具備していてもよい。

３台の基板生産機９１、９２、９３に設けられた合計３個の交流電源２は、相互に独立して動作可能となっている。各基板生産機９１、９２、９３は、移動体９９の接近を検出する図略のセンサを有している。そして、各基板生産機９１、９２、９３の交流電源２は、移動体９９が接近したときだけ動作する。これにより、移動体９９が遠方に離隔している間、交流電源２は停止され、無駄な電気損失が発生しない。

給電コイル３１は、給電素子の一実施形態である。給電コイル３１は、各基板生産機９１、９２、９３の前面に設けられており、搬送方向の前後で対称形状に形成されている。給電側コンデンサ３５は、給電コイル３１に直列接続されて給電側共振回路を形成する共振用素子である。給電側コンデンサ３５の他端３５２は、給電コイル３１の他端３１２に接続されている。これにより、閉じた給電回路が構成される。

受電コイル４１は、受電素子の一実施形態である。２個の受電コイル４１は、移動体９９の給電コイル３１に対向する側面９８に配設されており、移動方向に沿い相互に離間して配置される。給電コイル３１および受電コイル４１は、対向配置されると電磁結合し、相互インダクタンスが発生して非接触給電が可能になる。給電コイル３１と受電コイル４１との実際の離間距離は、図示された離間距離よりも小さい。

ここで、給電コイル３１および受電コイル４１の移動方向の長さ、および移動方向に隣り合う相互離間距離は、非接触給電が安定して行われるように設定されている。つまり、移動体９９の位置に関係なく常に、給電コイル３１と少なくとも１個の受電コイル４１とが正対状態になる。正対状態とは、給電コイル３１の移動方向の長さの範囲内に受電コイル４１の移動方向の長さの全体が対向する状態を意味する。

図１に例示される位置関係において、第１基板生産機９１の給電コイル３１と図中の左側の受電コイル４１とが正対し、第２基板生産機９２の給電コイル３１と図中の右側の受電コイル４１とが正対している。このとき、２個の受電コイル４１は、ともに良好な受電状態となり、矢印Ｐ１、Ｐ２に示されるように大きな交流電力を受け取ることができる。正対状態にある受電コイル４１は、単独でも電気負荷６を駆動できるだけの受電容量を有する。

受電コイル４１の一端４１１は、受電側コンデンサ４５の一端４５１、および受電回路５を構成する整流回路５１の入力側の一端子５１１に接続されている。受電コイル４１の他端４１２は、受電側コンデンサ４５の他端４５２、および整流回路５１の入力側の他端子５１２に接続されている。受電側コンデンサ４５は、受電コイル４１に並列接続されて受電側共振回路を形成する共振用素子である。

図２は、非接触給電装置１の移動体９９の側の詳細な回路構成を示した回路図である。図示されるように、受電回路５は、受電コイル４１ごとに設けられた整流回路５１、および、２個の整流回路５１に対して共通に設けられた直流電源回路５５を含んで構成されている。

整流回路５１は、４個の整流ダイオードをブリッジ接続した全波整流回路５２、および全波整流回路５２の出力側に接続された平滑コンデンサ５３によって構成される。２個の整流回路５１は、それぞれの入力側に接続された受電コイル４１が非接触給電により受け取った交流電力を直流電圧Ｖｄｃに変換して出力する。２個の整流回路５１の出力側の一端子５１３および他端子５１４は、直流電源回路５５に対して並列接続されている。したがって、２個の整流回路５１からそれぞれ出力される直流電圧Ｖｄｃが一つにまとめられて直流電源回路５５に入力される。

直流電源回路５５は、一つにまとめられた直流電圧Ｖｄｃを駆動電圧Ｖａｃｔに変換して電気負荷６に出力する変換回路の一実施形態である。直流電源回路５５は、駆動電圧Ｖａｃｔの安定化作用を有する。つまり、直流電源回路５５は、整流回路５１から出力された電圧値不定の直流電圧Ｖｄｃを概ね一定の直流の駆動電圧Ｖａｃｔに調整して、移動体９９に搭載された電気負荷６に給電する。直流電源回路５５として、スイッチング方式またはドロッパ方式のＤＣＤＣコンバータを例示できる。直流電源回路５５は、降圧機能を具備しており、さらに昇圧機能を具備していてもよい。電気負荷６は、移動体９９上で仕事を行うものであり、その種類や消費電力などは限定されない。電気負荷６は、移動体９９の移動用駆動源、例えばステッピングモータやサーボモータなどを含んでいてもよい。

電圧検出回路７は、直流電源回路５５の入力側に並列接続されている。電圧検出回路７は、一つにまとめられた直流電圧Ｖｄｃを検出して監視する。例えば、電圧検出回路７は、直流電圧Ｖｄｃの大きさを検出してディジタル電圧値に変換するＡＤ変換器と、ディジタル電圧値に所定の監視処理を施す電子制御装置と、を組み合わせて構成できる。また例えば、電圧検出回路７は、直流電圧Ｖｄｃを所定の基準電圧と大小比較する比較回路と、直流電圧Ｖｄｃが基準電圧以上となったときに所定の制御処理を実行する制御回路と、を組み合わせて構成できる。

電圧検出回路７の監視機能は、特に限定されず、直流電圧Ｖｄｃの上下限監視機能や、上限のみの監視機能、下限のみの監視機能などを採用できる。例えば、電圧検出回路７は、直流電圧Ｖｄｃが所定の基準電圧以上を超過したときに、直流電源回路５５を停止して保護する機能を具備できる。また例えば、電圧検出回路７は、無線通信を介して基板生産機９１、９２、９３の側の交流電源２に停止指令や調整指令を送信するようにしてもよい。これによれば、直流電圧Ｖｄｃが正常電圧範囲を逸脱したときに、交流電源２を停止させ、あるいは交流電源２の電圧値や周波数などを調整することができる。

（２．第１実施形態の非接触給電装置１の作用）
次に、第１実施形態の非接触給電装置１の作用について、従来技術と比較して説明する。図３は、従来技術の非接触給電装置１Ｘの構成を模式的に説明する図である。従来技術の非接触給電装置１Ｘにおいて、固定部に相当する基板生産ライン９の側の構成は、第１実施形態と同じであり、移動体９９の側の構成が第１実施形態と異なる。

従来技術の非接触給電装置１Ｘでは、２組の受電コイル４１および整流回路５１に対して、それぞれ直流電源回路５５Ｘが設けられる。２個の直流電源回路５５Ｘは、出力側の同じ大きさの駆動電圧Ｖａｃｔを一つにまとめて、電気負荷６に出力する。また、２個の直流電源回路５５Ｘの入力側に、それぞれ電圧検出回路７Ｘが並列接続される。

図１と図３を比較すれば明らかなように、第１実施形態では、従来技術で２個用いていた直流電源回路５５Ｘおよび電圧検出回路７Ｘをそれぞれ１個に削減できる。

（３．第１実施形態の非接触給電装置１の態様および効果）
第１実施形態の非接触給電装置１は、固定部（基板生産ライン９）に設定された移動方向に沿って配置される複数（２個）の給電コイル３１と、複数の給電コイル３１に交流電力を供給する交流電源２と、移動方向に沿って移動する移動体９９上に移動方向に沿って配置され、複数の給電コイル３１のうち対向するいずれかの給電コイル３１と電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る複数（２個）の受電コイル４１と、複数の受電コイル４１が受け取った交流電力をそれぞれ直流電圧Ｖｄｃに変換して出力する複数（２個）の整流回路５１と、記複数の整流回路５１からそれぞれ出力される直流電圧Ｖｄｃが一つにまとめられて入力され、一つにまとめられた直流電圧Ｖｄｃを駆動電圧Ｖａｃｔに変換して電気負荷６に出力する変換回路（直流電源回路５５Ｘ）と、一つにまとめられた直流電圧Ｖｄｃを検出して監視する電圧検出回路７と、を備えた。

第１実施形態の非接触給電装置１は、複数組の受電コイル４１および整流回路５１に対して共通な電圧検出回路７を用いて保護機能を高めるので、複数組に対して個別の電圧検出回路を用いる構成よりも簡素となる。また、移動体９９に複数の受電コイル４１を備えており、移動体９９の位置に関係なく常に、少なくとも１個の受電コイル４１が良好な受電状態となる。このため、移動体９９に従来設けられていた充電回路およびバッテリを不要化して、直接的に電気負荷６を駆動できる。これらにより、移動体９９の小形軽量化が実現される。

さらに、第１実施形態の非接触給電装置１において、受電素子は受電コイル４１であり、給電素子は給電コイル３１とされている。また、第１実施形態の非接触給電装置１は、給電コイル３１に接続されて給電側共振回路を形成する給電側コンデンサ３５、および、受電コイル４１に接続されて受電側共振回路を形成する受電側コンデンサ４５をさらに備えている。これらによれば、電磁結合方式の非接触給電装置１において、共振現象を利用した非接触給電を行って顕著に給電効率を高めることができる。

さらに、固定部は、複数（３台）の基板生産機９１〜９３が列設された基板生産ライン９であり、複数の基板生産機９１〜９３の列設方向に移動方向が設定されており、複数の給電コイル３１は、複数の基板生産機９１〜９３に同数個ずつ配置されている。

これによれば、第１〜第３基板生産機９１、９２、９３の列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替え、ならびに、列設台数が４台以上に増設されるモジュール増設対応の全ての場合に、非接触給電装置１は、良好な受電状態が確保される。したがって、基板生産ライン９のライン構成の変更時やモジュール増設対応時に、非接触給電装置１に関する段取り替え作業は簡素である。

（４．第２実施形態の非接触給電装置１Ａ）
次に、第２実施形態の非接触給電装置１Ａについて、第１実施形態と異なる点を主に説明する。第２実施形態において、固定部に相当する基板生産ライン９の側の構成が第１実施形態と異なり、移動体９９の側の構成は第１実施形態と同じである。図４は、第２実施形態の非接触給電装置１Ａの構成を模式的に説明する図である。

図示されるように、交流電源２５は、複数の給電コイル３１に対して共通に設けられている。交流電源２５の電源容量は、第１実施形態の交流電源２の電源容量よりも大きい。交流電源２５と、第１〜第３基板生産機９１、９２、９３の各給電コイル３１とを並列接続する電路には、それぞれ開閉スイッチ２６が介挿されている。非接触給電装置１Ａが動作している間、交流電源２５は動作し続ける。そして、各基板生産機９１、９２、９３の開閉スイッチ２６は、図略のセンサによって移動体９９の接近が検出されたときだけ閉路操作される。これにより、移動体９９が遠方に離隔している間、給電コイル３１は励磁されず、無駄な電気損失が発生しない。

第２実施形態の非接触給電装置１Ａにおける作用は、第１実施形態と同じである。したがって、第２実施形態においても、共通な電圧検出回路７を用いて保護機能を高めることができ、かつ、充電回路およびバッテリを不要化できる。これにより、移動体９９の小形軽量化が実現される。

（５．実施形態の応用および変形）
なお、共振用素子としての給電側コンデンサ３５および受電側コンデンサ４５を用いつつ、交流電源２、２５の周波数を共振周波数からずらしてもよい。この場合、共振特性の変化の影響を受けにくくなるので、直流電圧Ｖｄｃの絶対値は多少低下しても、電圧変動は減少する。さらに、非接触給電の方式は、給電コイル３１および受電コイル４１を用いた電磁結合方式に限定されず、例えば、給電電極および受電電極を用いた静電結合方式であってもよい。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

本発明の非接触給電装置は、実施形態で説明した基板生産ライン９以外にも、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野に利用可能である。

１、１Ａ：非接触給電装置
２：交流電源 ２５：交流電源 ２６：開閉スイッチ
３１：給電コイル（給電素子）
３５：給電側コンデンサ（共振用素子）
４１：受電コイル（受電素子）
４５：受電側コンデンサ（共振用素子）
５１：整流回路 ５５：直流電源回路（変換回路）
６：電気負荷
７：電圧検出回路
９：基板生産ライン（固定部）
９１〜９３：第１〜第３基板生産機 ９９：移動体

Claims (1)

1. 固定部に設定された移動方向に沿って配置される複数の給電コイルと、
   複数の前記給電コイルに交流電力を供給する交流電源と、
   前記移動方向に沿って移動する移動体上に前記移動方向に沿って配置され、複数の前記給電コイルのうち対向するいずれかの前記給電コイルと電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る複数の受電コイルと、
   複数の前記受電コイルが受け取った交流電力をそれぞれ直流電圧に変換して出力する複数の整流回路と、
   複数の前記整流回路からそれぞれ出力される直流電圧が一つにまとめられて入力され、一つにまとめられた前記直流電圧を駆動電圧に変換して電気負荷に出力する変換回路と、
   前記変換回路の入力側に接続され、一つにまとめられた前記直流電圧を検出して監視する電圧検出回路と、
   前記交流電源と前記給電コイルとを接続する電路にそれぞれ介挿され、センサによって前記移動体の接近が検出されたときだけ閉路操作される複数の開閉スイッチと、
   前記給電コイルおよび前記受電コイルの少なくとも一方に接続されて共振回路を形成する共振用素子とを備えて、前記移動体に充電回路およびバッテリを不要とした非接触給電装置であって、
   前記固定部は、複数の基板生産機が列設された基板生産ラインであり、複数の前記基板生産機の列設方向に前記移動方向が設定されており、
   前記移動体は、各前記基板生産機で使用する機材および部材を搬送するものであり、
   複数の前記給電コイルは、複数の前記基板生産機の各々の前面に同数個ずつ配置されて、前記移動方向の前後で対称形状に形成され、
   複数の前記受電コイルは、前記移動体の前記給電コイルに対向する側面に配置されている、
   非接触給電装置。

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