JP6758711B2 - 複数の部材の回転接続部に配置される非接触給電トランス - Google Patents

Description

本発明は、回転可能に機械的に接続された複数の部材の回転接続部に配置されて、一方の部材から他方の部材への非接触給電を行う非接触給電トランスに関する。

非接触給電は、ワイヤレスで給電を行う方式であり、電気シェーバー等の家電製品やモバイル機器等の二次電池を備える製品に充電電力を供給するために広く利用されている。また、充電に大電力を必要とする無人搬送車や電気自動車等の移動体に非接触給電を行うシステムも実用化されつつある。

下記特許文献１には、自動車のドアミラーに内蔵されたミラー駆動用モータやヒータへの電源供給を非接触給電により行うことが記載されている。そのために、車両用ドア本体に対して回転自在に取付けられるドアミラーに二次側コイルを備える受電部を設け、ドア本体に一次側コイルを備える送電部を設け、ドアミラーの開位置（ドア本体から離れるようにドアミラーが回転した位置）において二次側コイルと一次側コイルとが対向し、非接触給電が行われるように構成されている。

このように、電子機器を有するドアや扉側に対して電力を供給したり、ロボットの回転部分や関節部分を介して、その先のアーム部分に電力を供給したりする場合、可動部分での電線接続や電気接点を必要としない非接触給電を利用することにより、メンテナンス負担の軽減や、信頼性の向上、長寿命化等が期待できる。

特開２０１５−８１０１５号公報

しかし、特許文献1記載の装置は、可動部(ドアミラー)がドア本体に対して特定の角度のときでなければ非接触給電を行うことができない、という課題がある。
また、可動部を備える装置では、修理や部品交換のために可動部を取外したり、再び組み込んだりすることが多々あり、非接触給電の機構が、こうした作業を妨げないようにする必要がある。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、複数の部材の回転接続部に配置される非接触給電トランスであって、可動部の広い範囲の回転角度において非接触給電が可能であり、また、可動部の取外しや再組み込みの作業を妨げない非接触給電トランスを提供することを目的としている。

本発明は、回転可能に機械的に接続された複数の部材の回転接続部に配置されて、第一の部材から第二の部材への非接触給電を実行する非接触給電トランスであって、第一の部材に固定された、コアの周囲に一次側コイルが巻回された送電部と、第二の部材に固定された、コアの周囲に二次側コイルが巻回された受電部と、送電部及び受電部に出入する磁束の磁路を形成するために、送電部及び受電部の一端側と他端側とに配置される二枚の磁性体と、を備え、送電部及び受電部は、共に柱状コアにコイルが巻回されたソレノイドコイルから成り、二枚の磁性体は、第一の部材及び第二の部材とは異なる第三の部材に固定され、第一の部材が第三の部材に対して相対的に回転するときの回転軸が、第一の部材に固定されたソレノイドコイルの中心軸と一致するように設定され、第二の部材が第三の部材に対して相対的に回転するときの回転軸が、第二の部材に固定されたソレノイドコイルの中心軸と一致するように設定されている。
こうすることで、二回転軸構造の非接触給電トランスが得られる。

また、本発明の非接触給電トランスでは、二回転軸構造の場合、磁性体として平板でないものを使用し、第一の部材に固定された前記ソレノイドコイルの中心軸が、第二の部材に固定されたソレノイドコイルの中心軸に対して傾いているようにすることができる。
そうすることで、種々の回転方向に回転する可動部に対応することができる。

また、本発明の非接触給電トランスでは、二回転軸構造の場合、第一の部材と第三の部材との切り離し、及び、第二の部材と第三の部材との切り離しの少なくとも一方が可能である。
二回転軸構造の非接触給電トランスでは、送電部と磁性体部分との切り離し及び再接続、並びに、受電部と磁性体部分との切り離し及び再接続の両方又はどちらか一方が可能である。

本発明の非接触給電トランスは、複数の部材の回転接続部に配置した場合、可動部の非接触給電が可能な角度を拡げることができ、また、修理や部品交換のための可動部の取外しや再組み込みが容易である。

本発明の第１の実施形態に係る非接触給電トランスを示す斜視図 （ａ）ソレノイドコイル形状の受電部が固定された第２の部材と、コの字型コアを備える送電部が固定された第１の部材とを示す図、（ｂ）（ａ）の平面図 第１の部材に対する第２の部材の水平方向の移動を示す図 第１の部材に対する第２の部材の垂直方向の移動を示す図 第１の部材に対する第２の部材の任意の方向の移動を示す図 二回転軸構造の非接触給電トランスを示す図 第１の部材に対する第２の部材の移動方向を制限した非接触給電トランスを示す図 第１の部材に対する第２の部材の移動方向を一方向に制限した非接触給電トランスを示す図

（第１の実施形態）
図１は、第１の部材と第２の部材の回転接続部に配置される第１の実施形態の非接触給電トランス１０を示している。図１では、第１の部材及び第２の部材は図示していない。
この非接触給電トランス１０は、第１の部材及び第２の部材の一方に固定される送電部２０と、第１の部材及び第２の部材の他方に固定される受電部３０とで構成される。（なお、ここでは符号２０で示すものを送電部、符号３０で示すものを受電部としているが、符号２０で示すものが受電部、符号３０で示すものが送電部であっても良い。）

受電部３０は、円柱状コア３１の周囲に二次側コイル３２が巻回されたソレノイドコイルから成る。
送電部２０は、紙面に平行な面で切断したときの断面がコの字を呈するコア２１（この明細書では“コの字型コア”と言う）と、コの字型コア２１の一部に巻回された一次側コイル２２とから成る。

コの字型コア２１は、間隔を空けて並行する二枚の平板状磁性体２１１、２１２と、それらの端部で磁性体２１１及び磁性体２１２に直交するように結合された平板状磁性体２１３とで構成される。一次側コイル２２は、磁性体２１３に巻回されている。
受電部３０は、磁性体２１１と磁性体２１２との間で、磁性体２１１及び磁性体２１２に直交し、磁性体２１３に平行するように配置される。
コの字型コア２１の磁性体２１１及び磁性体２１２は、送電部２０の一次側コイル２２及び受電部３０の二次側コイル３２に出入りする磁束を誘導する磁路の役割を果たしている。
この非接触給電トランス１０では、一次側コイル２２に交流電流が供給されると、電磁誘導により二次側コイル３２に交流電流が誘起される。

図２（ａ）は、送電部２０が固定された第１の部材４０と、受電部３０が固定された第２の部材５０との接続状態を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態を上から見た図（平面図）である。
第１の部材４０は、例えば、ロボットの第１関節であり、第２の部材５０は第２関節である。あるいは、第１の部材４０が冷蔵庫の本体であり、第２の部材５０がディスプレイを備えた冷蔵庫の扉部分である。また、第１の部材４０が洗濯機本体であり、第２の部材５０が電子機器を内蔵した洗濯機の蓋部分である。
第１の部材４０と第２の部材５０とは、図では示していないが、回転可能に機械的に接続されている。

第２の部材５０の第１の部材４０に対する回転軸は、第２の部材５０に固定された受電部３０のソレノイドコイル３２の中心軸と一致するように設定されている。
そのため、第２の部材５０は、コイル軸の位置（Ｍ）を中心に、図２（ｂ）に矢印で示す方向に、コの字型コア２１に当接するまで回転可能である。コの字型コア２１の磁性体２１１と磁性体２１２との間は、磁性体２１３以外に回転を妨げるものが無い。コの字型コア２１の外周面(六面)は、三面が開放されているため、第２の部材５０は、コの字型コア２１に妨げられずに、コイル軸の位置（Ｍ）を中心に約１８０度の範囲で回転することができる。
また、第２の部材５０を第１の部材４０に対しコイル軸の位置（Ｍ）を中心に回転しても、送電部２０と受電部３０との相対位置は全く変化しない。そのため、第１の部材４０に対する第２の部材５０の回転角度に影響を受けずに非接触給電を続けることができる。

また、修理や部品交換のために第１の部材４０を第２の部材５０から切り離すときは、コの字型コア２１とソレノイドコイル３２とが当接しない方向に第２の部材５０を引き出す必要があるが、コの字型コア２１の外周面の三面が開放されているため、引き出し方向の自由度が高い。
図３は、第１の部材４０に対して、第２の部材５０を水平方向に引き出す場合を示している。
図４は、第１の部材４０に対して、第２の部材５０を垂直方向に引き出す場合を示している。
図５は、第１の部材４０に対して、第２の部材５０を４５度方向に引き出す場合を示している。
このように、第２の部材５０を任意の方向に引き出すことができる。

また、第１の部材４０に第２の部材５０を再び組み合わせる場合も同様に、図３、図４、図５等の方向から第２の部材５０を挿入することができる。
そのため、この非接触給電トランスを複数の部材の回転接続部に配置することで、複数の部材の引き離し・再組立てが容易である。

なお、ここでは、ソレノイドコイル３２のコア３１が円柱状のものとして説明したが、このコアは、断面が多角形の柱状コアであっても良い。断面が多角形の場合も、その柱状コアが中心軸を中心に回転したとき、非接触給電トランスの磁気特性は殆ど変化しないためである。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る非接触給電トランス１００を示している。
この非接触給電トランス１００は、二つのソレノイドコイル６１、６２と、それらの一端側及び他端側に配置された二枚の磁性体６３、６４とを備えている。二つのソレノイドコイル６１、６２の一方は送電部の一次側コイルであり、他方は受電部の二次側コイルである。二枚の平行に配置された磁性体６３、６４は、ソレノイドコイル６１、６２に出入する磁束の磁路を形成している。

図には示していないが、ソレノイドコイル６１は第１の部材に固定され、ソレノイドコイル６２は第２の部材に固定され、二枚の磁性体６３、６４は第３の部材に固定されている。
第１の部材は、第３の部材に対して回転可能であり、この回転の回転軸は、ソレノイドコイル６１の中心軸と一致するように設定されている。
また、第２の部材は、第３の部材に対して回転可能であり、この回転の回転軸は、ソレノイドコイル６２の中心軸と一致するように設定されている。
従って、この非接触給電トランス１００は、二回転軸構造を備える。

第１の部材がソレノイドコイル６１の中心軸を回転軸として回転しても、ソレノイドコイル６１と二枚の磁性体６３、６４とソレノイドコイル６２との相対位置関係は変化しない。
また、第２の部材がソレノイドコイル６２の中心軸を回転軸として回転しても、ソレノイドコイル６２と二枚の磁性体６３、６４とソレノイドコイル６１との相対位置関係は変化しない。
従って、この非接触給電トランス１００は、第１の部材及び第２の部材の回転角度に影響を受けずに一定の非接触給電を続けることができる。

また、第１の部材や第２の部材は、第３の部材から切り離したり、再結合したりすることができる。
また、ここでは二枚の磁性体６３、６４が平板である場合を示しているが、平板でない磁性体を用いることで、ソレノイドコイル６１の中心軸とソレノイドコイル６２の中心軸とが傾いているように設定することができる。そうすることで、種々の回転方向に回転する可動部に対して非接触給電を行うことが可能になる。

このように、非接触給電により可動部分への電力供給を行うことにより、信頼性が向上し、安全性が増し、メンテナンス負担が軽減され、長寿命化が可能になる。

また、第１の部材４０にコの字型コア２１を備えるコイルが固定され、第２の部材５０にソレノイドコイル３０が固定されている場合、必要があれば、第１の部材４０に対する第２の部材５０の移動方向を制限するように構成することもできる。
図７では、第１の部材４０に、コの字型コア２１の開放された三面の内の一面を塞ぐ壁４１を設けた場合を示している。図７（ａ）は、その側面図であり、図７（ｂ）は平面図である。第２の部材５０は、第１の部材４０に対して、図７（ｂ）に矢印で示すように、制限された角度範囲での回転と、水平方向への移動だけが可能になる。
また、図８では、第１の部材４０に、コの字型コア２１の開放された三面の内の二面を塞ぐ壁４１、４２を設けた場合を示している。図８（ａ）は、その側面図であり、図８（ｂ）は平面図である。この場合、第２の部材５０は、第１の部材４０に対して、図８（ｂ）に矢印で示すように、水平方向への移動だけが可能になる。

本発明の非接触給電トランスは、ロボットアーム、Ｚライトのアーム部分、ドアや扉の回転部、冷蔵庫のドア、洗濯機の蓋部分など、広い範囲で利用することができる。

１０ 非接触給電トランス
２０ 送電部
２１ コの字型コア
２２ 一次側コイル
３０ 受電部
３１ 円柱状コア
３２ 二次側コイル
４０ 第１の部材
４１ 壁
４２ 壁
５０ 第２の部材
６１ ソレノイドコイル
６２ ソレノイドコイル
６３ 磁性体
６４ 磁性体
１００ 非接触給電トランス
２１１ 磁性体
２１２ 磁性体
２１３ 平板状磁性体

Claims (3)

1. 回転可能に機械的に接続された複数の部材の回転接続部に配置されて、第一の部材から第二の部材への非接触給電を実行する非接触給電トランスであって、
   前記第一の部材に固定された、コアの周囲に一次側コイルが巻回された送電部と、
   前記第二の部材に固定された、コアの周囲に二次側コイルが巻回された受電部と、
   前記送電部及び受電部に出入する磁束の磁路を形成するために、前記送電部及び受電部の一端側と他端側とに配置される二枚の磁性体と、
   を備え、
   前記送電部及び受電部は、共に柱状コアにコイルが巻回されたソレノイドコイルから成り、
   前記二枚の磁性体は、前記第一の部材及び第二の部材とは異なる第三の部材に固定され、
   前記第一の部材が前記第三の部材に対して相対的に回転するときの回転軸が、前記第一の部材に固定された前記ソレノイドコイルの中心軸と一致するように設定され、
   前記第二の部材が前記第三の部材に対して相対的に回転するときの回転軸が、前記第二の部材に固定された前記ソレノイドコイルの中心軸と一致するように設定されていることを特徴とする非接触給電トランス。
2. 請求項１に記載の非接触給電トランスであって、
   前記磁性体が非平板であり、前記第一の部材に固定された前記ソレノイドコイルの中心軸が、前記第二の部材に固定された前記ソレノイドコイルの中心軸に対して傾いていることを特徴とする非接触給電トランス。
3. 請求項１又は２に記載の非接触給電トランスであって、
   前記第一の部材と前記第三の部材との切り離し、及び、前記第二の部材と前記第三の部材との切り離しの少なくとも一方が可能であることを特徴とする非接触給電トランス。