JP6899229B2 - 非接触送電装置、非接触受電装置、および非接触給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、非接触で電力を送る非接触送電装置、非接触で電力を受け取る非接触受電装置、ならびに、非接触送電装置および非接触受電装置を含んで構成される非接触給電システムに関する。
プリント配線が施された基板に電子部品(以下「部品」と称する)を実装するための諸作業(以下「対基板作業」と称する)を施して、回路基板を量産する技術が普及している。対基板作業を実施する対基板作業機として、はんだ印刷機、部品装着機、リフロー機、基板検査機などがある。これらの対基板作業機を連結して部品実装ラインを構成することが一般的になっている。近年、対基板作業機の可動部に給電する手段として、非接触給電システムを適用する技術が開発されている。
非接触給電システムを適用することにより、給電線の配線ルートを確保する必要が無くなるとともに、給電線の繰り返し変形による疲労あるいは摺動式給電部の摩耗のおそれがなくなる。なお、非接触給電システムの用途は、部品実装ラインに限定されず、他の製品を組み立てる組立ラインや部材を加工する工作機械、電動車両への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システム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は、複数のテープフィーダが着脱自在に装着された部品装着機を開示している。この部品装着機は、テープフィーダの側に受電コイルと磁気信号の発生手段とを備え、本体のフィーダ取付部の側に送電コイルと磁気信号の検出手段とを備え、本体からテープフィーダへの非接触給電を行うとともに、磁気信号を用いてテープフィーダから本体に個体識別情報を伝送する。これによれば、本体側でテープフィーダの有無のみならず、正誤も判別できる、とされている。
また、特許文献2の非接触給電通信装置は、共鳴素子と、交流電力を共鳴素子に供給する交流電源部と、共鳴素子を通じて通信処理を行う通信部と、交流電源部および通信部の一方を切り替え可能に共鳴素子に接続するスイッチ手段と、を備える。これによれば、給電時にはインピーダンスを適切に保って効率よく給電でき、通信時には共鳴素子をアンテナに用いて通信を行える、とされている。
特開2006−261280号公報 特開2011−29799号公報
ところで、特許文献1の技術は、フィーダ取付部に装着されて静止したテープフィーダを対象として、非接触給電および信号伝送を行うものである。このため、特許文献1の技術は、可動部を対象とする場合に磁気信号の強さが変動してしまい、実用に適さない。
また、特許文献2の技術は、交流電源部および通信部を切り替えて使用することにより、可動部を対象として非接触給電および通信を行える。しかしながら、通信時にも可動部が動作できるように、給電時に充電モードで蓄電池を充電する必要がある。仮に、交流電源部および通信部の両方を共鳴素子に接続した場合、インピーダンスが不適切になって給電効率が低下するとともに、交流電力に重畳する通信信号の検波も困難になる。この種の問題点は、幅広い分野の非接触給電システムの多くに共通する。
固定部と、非接触給電される可動部との間で信号伝送を行うために、一般的には、次のいずれかの手段が用いられる。
1)可撓性を有する信号ケーブルや摺動式接続部を用いる有線伝送手段
2)無線通信や光通信などの非接触伝送手段
3)送電素子および受電素子と別に設ける通信コイルなどの信号専用素子(例えば、特許文献1)
しかしながら、1)の手段では、信号ケーブルの繰り返し変形による疲労や摺動式接続部の摩耗のおそれが解消されない。また、2)および3)の手段では、装置構成やシステム構成の複雑化を招くとともに、コストの増加を招いてしまう。
本明細書では、非接触での送電を継続しつつ送電素子を用いた信号伝送を可能とする安価な非接触送電装置を提供すること、非接触での受電を継続しつつ受電素子を用いた信号伝送を可能とする安価な非接触受電装置を提供すること、ならびに、この非接触送電装置およびこの非接触受電装置を含んで構成された非接触給電システムを提供することを解決すべき課題とする。
本明細書は、非接触での送電が可能な送電素子と、電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯を有する交流電圧を前記送電素子に出力する交流電源回路と、前記信号用時間帯に信号電圧を前記送電素子に出力する送信機能、および、前記信号用時間帯に前記送電素子から信号電圧を受け取る受信機能の少なくとも一機能を有する送電側信号回路と、を備え、前記信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧を含み、前記交流電圧は、継続時間が調整される正負の矩形波電圧からなり、前記パルス電圧の波高値は、前記矩形波電圧の波高値よりも小さい、非接触送電装置を開示する。
また、本明細書は、電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯を有する交流電圧を非接触で受け取り可能な受電素子と、前記受電素子が受け取った前記交流電圧を変成して負荷に供給する受電回路と、前記信号用時間帯に信号電圧を前記受電素子に出力する送信機能、および、前記信号用時間帯に前記受電素子から信号電圧を受け取る受信機能の少なくとも一機能を有する受電側信号回路と、を備え、前記信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧を含み、前記交流電圧は、継続時間が調整される正負の矩形波電圧からなり、前記パルス電圧の波高値は、前記矩形波電圧の波高値よりも小さい、非接触受電装置を開示する。
また、本明細書は、前記した非接触送電装置と、前記した非接触受電装置と、を備える非接触給電システムを開示する。
本明細書で開示する非接触送電装置によれば、交流電源回路は、非接触での送電を行わない信号用時間帯を有する交流電圧を送電素子に出力して、非接触での送電を継続できる。かつ、送電側信号回路は、信号用時間帯に送信機能および受信機能の少なくとも一機能を発揮して、送電素子を介した信号伝送を行うことができる。したがって、信号伝送用の専用素子は不要であり、非接触送電装置は、装置構成が簡素となって安価である。
また、本明細書で開示する非接触受電装置、非接触給電システムについても同様である。
第1実施形態の非接触給電システムを適用する部品実装ラインの構成を示した斜視図である。 第1実施形態の非接触給電システムの機能構成を示すブロック図である。 送電素子の端子電圧の波形例を示した図である。 図3よりも長い時間スパンを用いて、送電側信号回路が出力する信号電圧の波形例を模式的に示した図である。 第2実施形態において、長い時間スパンを用いて、送電側信号回路および受電側信号回路の信号電圧の波形例を模式的に示した図である。
1.第1実施形態の非接触給電システム1の適用箇所の例示
第1実施形態の非接触給電システム1について、図1〜図4を参考にして説明する。まず、非接触給電システム1の適用箇所の一例である部品実装ライン9の構成について説明する。図1は、第1実施形態の非接触給電システム1を適用する部品実装ライン9の構成を示した斜視図である。部品実装ライン9は、複数の対基板作業機が列設されて構成される。すなわち、半田印刷機91、印刷検査機92、第1部品装着機93、第2部品装着機94、第3部品装着機95、図略の基板外観検査機、および図略のリフロー機が記載された順番に列設されている。
それぞれの対基板作業機は、基板に対する所定の作業、すなわち対基板作業を実施する。具体的に、半田印刷機91は、ペースト状の半田を定められたパターン形状で基板に印刷する。印刷検査機92は、基板の半田印刷状態を撮像して検査する。第1部品装着機93、第2部品装着機94、および第3部品装着機95は、部品供給装置から部品を採取して、基板の半田の上に装着する。基板外観検査機は、基板に装着された部品を撮像して外観状態を検査する。リフロー機は、半田を加熱および冷却することによって部品の半田付けを確かなものとする。対基板作業は、上記した作業内容に限定されず、付随する諸作業等も含む。例えば、基板の搬入出作業や位置決め作業、基板や部品を撮像してそれらの位置や姿勢を把握する確認作業も、対基板作業に含まれる。
第1部品装着機93、第2部品装着機94、および第3部品装着機95は、互いに同一構造である。部品装着機(93、94、95)は、部品供給装置87、予備フィーダ保管装置88、図1には見えない基板搬送装置および部品移載装置を備える。
部品供給装置87は、機台99の前側の概ね中間高さに配置される。部品供給装置87は、前後方向に延びかつ互いに平行な複数のスロットを有する。部品供給装置87のそれぞれのスロットには、フィーダ89が装着される。フィーダ89は、複数の部品を収納したキャリアテープが巻回されたリールを保持する。フィーダ89は、キャリアテープを一定ピッチで繰り出し、所定位置で部品を1個ずつ供給する。フィーダ89は、第1部品装着機93、第2部品装着機94、および第3部品装着機95で互換使用されるように、形状が共通化されている。フィーダ89は、部品装着機(93、94、95)で交換して使用される交換ユニットの一例である。
予備フィーダ保管装置88は、機台99の前側の部品供給装置87の下側に配置される。予備フィーダ保管装置88は、前後方向に延びかつ互いに平行な複数のスロットを有する。予備フィーダ保管装置88のそれぞれのスロットには、使用準備が整った予備のフィーダ89が一時的に保管される。基板搬送装置は、基板の搬入、位置決め、および搬出を行う。部品移載装置は、吸着ノズルなどの部品装着具を用いて部品供給装置87から部品を採取し、基板に装着する。
また、部品実装ライン9には、フィーダ保管装置96、ライン管理装置97、および移動式交換装置8が設けられている。フィーダ保管装置96は、半田印刷機91に隣接して配置される。フィーダ保管装置96は、前後方向に延びかつ互いに平行な複数のスロットを有する。フィーダ保管装置96のそれぞれのスロットには、使用準備が整ったフィーダ89が保管される。
ライン管理装置97は、フィーダ保管装置96に隣接して配置される。かつ、ライン管理装置97は、複数の対基板作業機と通信接続される。ライン管理装置97は、基板の種類ごとに異なる対基板作業の作業内容を記述したジョブデータを管理する。ライン管理装置97は、生産計画に基づいて、複数の対基板作業機にそれぞれのジョブデータを送出する。ライン管理装置97は、さらに、複数の対基板作業機の動作状況を監視する。
移動式交換装置8は、フィーダ89を自動で交換する。詳細には、移動式交換装置8は、部品装着機(93、94、95)の部品供給装置87と、予備フィーダ保管装置88との間でフィーダ89を交換する。また、移動式交換装置8は、部品装着機(93、94、95)とフィーダ保管装置96との間で移動し、フィーダ89を搬送して交換する。
移動式交換装置8は、移動式交換部81、駆動部82、中段レール83、下段レール84、および交換制御部8A(図2参照)などで構成される。中段レール83および下段レール84は、複数の対基板作業機の機台99の前面、およびフィーダ保管装置96の前面にそれぞれ設けられる。中段レール83および下段レール84は、部品実装ライン9のライン長さ方向(図1の左右方向)に延在する。中段レール83の高さ位置は、部品供給装置87と予備フィーダ保管装置88の中間に統一されている。下段レール84の高さ位置は、予備フィーダ保管装置88の下側に統一されている。これにより、複数の中段レール83および複数の下段レール84は、フィーダ保管装置96から第3部品装着機95まで続いて互いに平行する2条の長い軌道を形成する。
移動式交換部81は、中段レール83および下段レール84に移動可能に装荷される。移動式交換部81は、フィーダ89を把持および解放するクランプ機構85(図2参照)、および把持したフィーダ89を操作する操作機構86(図2参照)を備える。操作機構86は、フィーダ89をスロットに差し込んで装着する機能、フィーダ89をスロットから抜き取る機能、および、移動式交換部81の内部でフィーダ89を昇降する機能を有する。
駆動部82は、移動式交換部81の概ね中間高さに設けられている。駆動部82は、中段レール83との間に推進力を発生させ、移動式交換部81を軌道に沿ってライン長さ方向に駆動する。これにより、移動式交換部81は、フィーダ保管装置96から第3部品装着機95まで移動する。駆動部82として、リニアモータ機構やサーボモータを用いたボールねじ送り機構を例示できる。
交換制御部8Aは、移動式交換部81に搭載されている。交換制御部8Aは、クランプ機構85、操作機構86、および駆動部82を制御することにより、フィーダ89の交換動作を制御する。本願出願人は、移動式交換装置8の詳細な構成例について、国際公開WO2014/010083号に開示している。移動式交換部81の負荷、すなわち、駆動部82、クランプ機構85、操作機構86、および交換制御部8Aへの給電の用途に、第1実施形態の非接触給電システム1が適用される。
図2は、第1実施形態の非接触給電システム1の機能構成を示すブロック図である。非接触給電システム1は、複数の非接触送電装置2と、非接触受電装置4とを備える。複数の非接触送電装置2は、複数の対基板作業機の機台99の中段レール83付近にそれぞれ配置される。一方、非接触受電装置4は、移動式交換部81に配置される。移動式交換部81がライン長さ方向に移動しても、非接触受電装置4は、いずれかの非接触送電装置2に対向する。
2.第1実施形態の非接触給電システム1を構成する非接触送電装置2
非接触送電装置2は、交流電源回路22、送電素子25、電源線26、送電側信号回路31、送電側結合トランス32、および送電側制御回路33などで構成されている。図3は、送電素子25の端子電圧の波形例を示した図である。また、図4は、図3よりも長い時間スパンを用いて、送電側信号回路31が出力する信号電圧の波形例を模式的に示した図である。図4において、パルス電圧Vspの継続時間が誇張して示されている。図3および図4の横軸は時間軸であり、縦軸は電圧瞬時値を表す。
図3に示されるように、送電素子25には、非接触給電用の交流電圧、および、信号伝送用の信号電圧が入力される。非接触給電用の交流電圧は、正の矩形波電圧Vppおよび負の矩形波電圧Vpmを含む。信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧Vsp、および、ビット群の区切りを表す搬送波電圧Vscを含む。ただし、送電素子25や送電側結合トランス32などの周波数特性に依存して、矩形状やパルス状の波形は変歪し得る。
送電側制御回路33は、タイマを内蔵しており、非接触給電用の交流電圧の周期Tを継続して作り出す。さらに、送電側制御回路33は、それぞれの周期Tを2つの給電用時間帯Tp、および2つの信号用時間帯Tsに分割する。給電用時間帯Tpは、信号用時間帯Tsよりも大幅に長い。送電側制御回路33は、第1機能として、給電用時間帯Tpの間、交流電源回路22を動作させる。さらに、送電側制御回路33は、非接触給電する電力の大きさに対応した継続時間tを交流電源回路22に指令する。
交流電源回路22は、入力側が商用周波数電源21に接続され、出力側が電源線26を用いて送電素子25に接続される。交流電源回路22は、例えば、整流回路23およびインバータ回路24からなる。整流回路23は、例えば、4個のダイオードをブリッジ接続した全波整流回路で構成される。整流回路23は、商用周波数電源21からの入力を整流して、直流電圧をインバータ回路24に出力する。
インバータ回路24は、例えば、4個のスイッチング素子をブリッジ接続した回路で構成される。インバータ回路24は、周期Tの半分が経過するごとに直流電圧の正負の向きを反転する。さらに、インバータ回路24は、指令された継続時間tに相当する正の矩形波電圧Vppおよび負の矩形波電圧Vpmを生成して、送電素子25に出力する。正負の矩形波電圧(Vpp、Vpm)の波高値Hpは、絶対値が相互に等しい。矩形波電圧(Vpp、Vpm)の継続時間tは、給電用時間帯Tpにほぼ等しい最大継続時間tmaxから、パルス電圧Vspの時間幅に近い最小継続時間tminの範囲内で調整される。また、継続時間tが変化しても、矩形波電圧(Vpp、Vpm)は、給電用時間帯Tpの中央に位置するように制御される。交流電源回路22は、信号用時間帯Tsには、非接触での送電を行わない。
送電素子25は、コアを有する送電コイルとされており、これに限定されない。送電素子25は、後述する受電素子41に対向して電磁結合する。したがって、送電素子25は、受電素子41に非接触で交流電力を送給することができる。さらに、送電素子25は、受電素子41に非接触で信号電圧を伝送することができる。
送電側制御回路33は、第2機能として、信号用時間帯Tsの間、送電側信号回路31を動作させる。さらに、送電側制御回路33は、信号Sigを構成する複数のビット情報を送電側信号回路31に指令する。第1実施形態において、送電側信号回路31は、信号Sigを送信する送信機能を有する。信号Sigは、例えば4個のビット群からなり、各ビット群は、例えば4つのビット情報からなる。
送電側信号回路31は、信号用時間帯Tsごとに1つの信号電圧を出力する。図2に示されるように、送電側信号回路31の出力側は、送電側結合トランス32に接続されている。さらに、送電側結合トランス32は、電源線26に電磁結合している。これにより、信号電圧は、送電素子25まで送給される。なお、送電側結合トランス32は、小容量とされており、非接触給電の給電効率に殆ど寄与しない。
信号電圧の種類について詳述すると、送電側信号回路31は、9番目の信号用時間帯Tsごとに搬送波電圧Vscを出力する。図3に示されるように、搬送波電圧Vscは、継続時間が短い正負の電圧が連続した波形となっている。搬送波電圧Vscは、ビット群の区切りを表す。
また、送電側信号回路31は、搬送波電圧Vscが出力されない8個の信号用時間帯Tsに、パルス電圧Vspを出力する。図3に示されるように、パルス電圧Vspは、搬送波電圧Vscと異なる単極性であって、正極性と負極性とが有る。パルス電圧Vspは、正負一対が時間軸上に並んで一つのビット情報の「1」を表す。ビット情報の「0」を表す場合、時間軸上に並ぶ2個の信号用時間帯Tsは無電圧とされる。したがって、送電側信号回路31は、8個の信号用時間帯Tsを用いて4つのビット情報、すなわち1個のビット群を表すことができる。送電側信号回路31は、8個の信号用時間帯Tsへの出力を4回繰り返して、信号Sigを出力する。
図4に示される例で、4個のビット群からなる信号Sigとして、二進数表示の(1111 1001 0001 1100)が出力されている。信号Sigは、例えば、移動式交換部81にフィーダ89を操作させる指令の伝送に用いられる。また、図4に示されるように、信号Sigが出力されていない時間帯においても、搬送波電圧Vscは定期的に出力される。
ここで、搬送波電圧Vscおよびパルス電圧Vspの波高値Hsは、正負の矩形波電圧(Vpp、Vpm)の波高値Hpよりも小さくなっている。これにより、受信側で、搬送波電圧Vscおよびパルス電圧Vspと、正負の矩形波電圧(Vpp、Vpm)とを区別することが容易になる。
また、搬送波電圧Vscおよび正負一対のパルス電圧Vspは、正負対称であるので、送電素子25に直流偏磁を発生させない。これにより、非接触送電装置2の安定した送電性能、および安定した信号伝送性能が確実に維持される。
3.第1実施形態の非接触給電システム1を構成する非接触受電装置4
非接触受電装置4は、受電素子41、受電回路42、受電線45、受電側信号回路51、受電側結合トランス52、および受電側制御回路53などで構成されている。図3は、受電素子41の端子電圧の波形例に相当し、図4は、受電側信号回路51で検波された波形に相当する。ただし、受電素子41や受電側結合トランス52などの周波数特性などに依存して、矩形状やパルス状の波形は変歪し得る。
受電素子41は、送電素子25に対向して配置されると、非接触で交流電力を受け取る。受電素子41は、コアを有する受電コイルとされており、これに限定されない。受電素子41は、受電線45を用いて受電回路42に接続される。なお、送電素子25や受電素子41に図略の共振用素子を適宜接続し、共振現象を利用して給電効率を高めることが好ましい。
受電回路42は、受電素子41が受け取った交流電圧を変成して、移動式交換部81の負荷(駆動部82、クランプ機構85、操作機構86、および交換制御部8A)に供給する。受電回路42は、例えば、整流回路43および直流変換回路44からなる。整流回路43は、交流電力を整流して直流電圧を生成し、直流変換回路44に出力する。直流変換回路44は、直流電圧の大きさを調整して、移動式交換部81の負荷に出力する。なお、受電回路42は、信号電圧も併せて変成する。しかしながら、信号電圧は、交流電圧と比較して波高値Hsが小さくかつ継続時間も短いので、非接触給電の給電効率には殆ど寄与しない。
受電側結合トランス52は、受電線45に電磁結合している。さらに、受電側結合トランス52は、受電側信号回路51に接続されている。これにより、受電素子41の端子電圧に比例した電圧波形が、受電側信号回路51に入力される。受電側結合トランス52は、小容量とされており、非接触給電の給電効率を殆ど低下させない。
第1実施形態において、受電側信号回路51は、信号Sigを受信する受信機能を有する。受電側信号回路51は、波高値(Hs、Hp)の違いに基づいて、信号電圧と非接触給電用の矩形波電圧(Vpp、Vpm)とを区別して検波できる。さらに、受電側信号回路51は、信号電圧の極性の違いに基づいて、搬送波電圧Vscとパルス電圧Vspとを区別できる。これにより、受電側信号回路51は、伝送された信号Sigを検波する。受電側信号回路51は、求めた信号Sigを受電側制御回路53に送る。受電側制御回路53は、信号Sigの情報を交換制御部8Aに受け渡す。
4.第1実施形態の非接触給電システム1の態様および効果
第1実施形態で説明した非接触送電装置2は、非接触での送電が可能な送電素子25と、電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯Tsを有する交流電圧を送電素子25に出力する交流電源回路22と、信号用時間帯Tsに信号電圧(パルス電圧Vspおよび搬送波電圧Vsc)を送電素子25に出力する送信機能を有する送電側信号回路31と、を備える。
これによれば、交流電源回路22は、非接触での送電を行わない信号用時間帯Tsを有する交流電圧を送電素子25に出力して、非接触での送電を継続できる。かつ、送電側信号回路31は、信号用時間帯Tsに送信機能を発揮して、送電素子25を介した送信を行うことができる。したがって、送信用の専用素子は不要であり、非接触送電装置2は、装置構成が簡素となって安価である。
さらに、信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧Vspを含む。これによれば、パルス電圧Vspを用いて、信号Sigを送信することができる。
さらに、交流電圧は、継続時間tが調整される正負の矩形波電圧(Vpp、Vpm)からなり、パルス電圧Vspの波高値Hsは、矩形波電圧の波高値Hpよりも小さい。これによれば、波高値Hsの小さなパルス電圧Vspを用いて、信号Sigを送信することができる。
さらに、送電素子25は、コアを有する送電コイルであり、パルス電圧Vspは、正負一対で一つのビット情報を表す。これによれば、送電素子25に直流偏磁が発生しない。したがって、非接触送電装置2の安定した送電性能、および安定した送信性能が確実に維持される。
さらに、信号電圧は、複数のビット情報をまとめたビット群を区切る区切り情報を表す搬送波電圧Vscであって、パルス電圧Vspと異なる波形の搬送波電圧Vscを含む。これによれば、信号Sigの先頭、ビット群の区切り、および末尾が明瞭となり、送信性能が安定する。
さらに、送電側信号回路31は、送電素子25と交流電源回路22とを接続する電源線26に電磁結合する送電側結合トランス32を含む。これによれば、送電側信号回路31と交流電源回路22とを相互に絶縁して干渉を抑制できるので、動作信頼性が向上する。
また、第1実施形態で説明した非接触受電装置4は、電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯Tsを有する交流電圧を非接触で受け取り可能な受電素子41と、受電素子41が受け取った交流電圧を変成して負荷(駆動部82、クランプ機構85、操作機構86、および交換制御部8A)に供給する受電回路42と、信号用時間帯Tsに受電素子41から信号電圧(パルス電圧Vspおよび搬送波電圧Vsc)を受け取る受信機能を有する受電側信号回路51と、を備える。
これによれば、受電素子41は、非接触での送電を行わない信号用時間帯Tsを有する交流電圧を非接触で受け取り、受電回路42は、交流電圧を変成して負荷に供給するので、非接触での受電を継続できる。かつ、受電側信号回路51は、信号用時間帯Tsに受信機能を発揮して、受電素子41を介した受信を行うことができる。加えて、非接触給電が途切れないので、蓄電池を必要としない。したがって、受信用の専用素子や蓄電池が不要となり、非接触受電装置4は、装置構成が簡素となって安価である。
さらに、信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧Vspを含む。これによれば、パルス電圧Vspで表された信号Sigを受信することができる。
さらに、交流電圧は、継続時間tが調整される正負の矩形波電圧(Vpp、Vpm)からなり、パルス電圧Vspの波高値Hsは、矩形波電圧の波高値Hpよりも小さい。これによれば、波高値(Hs、Hp)の違いに基づいて、パルス電圧Vspと非接触給電用の正負の矩形波電圧(Vpp、Vpm)とを区別して検波でき、受信性能が安定する。
さらに、受電素子41は、コアを有する受電コイルであり、パルス電圧Vspは、正負一対で一つのビット情報を表す。これによれば、受電素子41に直流偏磁が発生しない。したがって、非接触受電装置4の安定した受電性能、および安定した受信性能が確実に維持される。
さらに、信号電圧は、複数のビット情報をまとめたビット群を区切る区切り情報を表す搬送波電圧Vscであって、パルス電圧Vspと異なる波形の搬送波電圧Vscを含む。これによれば、信号Sigの先頭、ビット群の区切り、および末尾が明瞭となり、受信性能が安定する。
さらに、受電側信号回路51は、受電素子41と受電回路42とを接続する受電線45に電磁結合する受電側結合トランス52を含む。これによれば、受電側信号回路51と受電回路42とを相互に絶縁して干渉を抑制できるので、動作信頼性が向上する。さらに、受電側結合トランス52は、小容量でよいので、非接触給電の給電効率を殆ど低下させない。
また、第1実施形態の非接触給電システム1は、非接触送電装置2と、非接触受電装置4と、を備える。これによれば、非接触送電装置2から非接触受電装置4への非接触給電を継続できるとともに、信号用時間帯Tsに送信機能および受信機能を発揮して、送電素子25および受電素子41を介した信号伝送を行うことができる。したがって、信号伝送用の専用素子は不要であり、非接触給電システム1は、システム構成が簡素となって安価である。
さらに、非接触送電装置2は、所定の対基板作業を実施する対基板作業機の機台99に配置され、非接触受電装置4は、対基板作業に使用する交換ユニット(フィーダ89)を自動で交換する移動式交換部81に配置される。これによれば、第1実施形態の非接触給電システム1を部品実装ライン9に適用して、システム構成が簡素でかつ安価となる効果が得られる。
5.第2実施形態の非接触給電システム
次に、第2実施形態の非接触給電システムについて、第1実施形態と異なる点を主にして説明する。第2実施形態では、第2信号Sig2の伝送方向が第1実施形態の逆になる。換言すると、送電側信号回路31は、第2信号Sig2を受信する受信機能を有し、受電側信号回路51は、第2信号Sig2を送信する送信機能を有する。
図5は、第2実施形態において、長い時間スパンを用いて、送電側信号回路31および受電側信号回路51の信号電圧の波形例を模式的に示した図である。図5において、パルス電圧Vspの継続時間が誇張して示されている。図5の横軸は時間軸であり、縦軸は電圧瞬時値を表す。図5の上側の波形は、送電側信号回路31に係り、送電側結合トランス32への出力が実線で示され、送電側結合トランス32からの入力が破線で示されている。また、図5の下側の波形は、受電側信号回路51に係り、受電側結合トランス52への出力が実線で示され、受電側結合トランス52からの入力が破線で示されている。図5に示される例で、4個のビット群からなる第2信号Sig2として、二進数表示の(1111 0011 0101 0001)が出力されている。第2信号Sig2は、例えば、非接触給電の受電状況やフィーダ89を交換する進捗状況などを表す情報の伝送に用いられる。
図5の上側の波形に示されるように、送電側信号回路31は、9番目の信号用時間帯Tsごとに搬送波電圧Vscを出力する。搬送波電圧Vscの波形は、第1実施形態と同じである。搬送波電圧Vscは、送電側結合トランス32、送電素子25、受電素子41、および受電側結合トランス52を経由して伝送され、受電側信号回路51に入力される(矢印A参照)。受電側信号回路51は、搬送波電圧Vscを検波し、搬送波電圧Vscの発生タイミングを受電側制御回路53に送る。
受電側制御回路53は、タイマを内蔵するとともに、予め、周期T、給電用時間帯Tp、および信号用時間帯Tsの情報を記憶している。受電側制御回路53は、搬送波電圧Vscの発生タイミングを受け取ると、その直後に8組の給電用時間帯Tpおよび信号用時間帯Tsを作り出す。受電側制御回路53は、8個の信号用時間帯Tsの間、受電側信号回路51を動作させる。さらに、受電側制御回路53は、第2信号Sig2を構成する4個のビット群のビット情報を受電側信号回路51に指令する。
受電側信号回路51は、信号用時間帯Tsごとに1つのパルス電圧Vspを受電側結合トランス52に出力する。パルス電圧Vspの波形は、第1実施形態と同じである。パルス電圧Vspは、受電側結合トランス52から受電素子41に送給される。受電素子41は、送電素子25に向けて、非接触でパルス電圧Vspを伝送する。これにより、パルス電圧Vspは、搬送波電圧Vscの逆方向に伝送され、送電側結合トランス32を経由して送電側信号回路31に入力される(矢印B参照)。送電側信号回路31は、第1実施形態の受電側信号回路51と同様の検波を行って第2信号Sig2を求め、送電側制御回路33に送る。
第2実施形態で説明した非接触送電装置2は、非接触での送電が可能な送電素子25と、電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯Tsを有する交流電圧を送電素子25に出力する交流電源回路22と、信号用時間帯Tsに送電素子25からパルス電圧Vspを受け取る受信機能を有する送電側信号回路31と、を備える。
また、第2実施形態で説明した非接触受電装置4は、電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯Tsを有する交流電圧を非接触で受け取り可能な受電素子41と、受電素子41が受け取った交流電圧を変成して負荷(駆動部82、クランプ機構85、操作機構86、および交換制御部8A)に供給する受電回路42と、信号用時間帯Tsにパルス電圧Vspを受電素子41に出力する送信機能を有する受電側信号回路51と、を備える。上記した第2実施形態の態様でも、第1実施形態と同様の作用および効果が生じる。
6.実施形態の応用および変形
なお、双方向の信号伝送を行うことも可能である。例えば、信号Sigの4個のビット群のうち前半は給電と同方向の伝送とし、後半は給電と逆方向の伝送にすることができる。また、信号Sigおよび第2信号Sig2は、説明した以外の形式としてもよい。例えば、1個の搬送波電圧Vscの後に、16ビットのビット情報に対応するパルス電圧Vspが続く形式を採用できる。また、パルス電圧Vspは、必ずしも正負一対である必要はない。例えば、送電素子25および受電素子41に一対の電極を用いた静電結合方式の構成では、正のパルス電圧Vspで「1」を表し、負のパルス電圧Vspで「0」を表すことができる。第1および第2実施形態の構成および動作は、その他にも様々な応用や変形が可能である。
第1および第2実施形態の非接触給電システム1は、部品実装ライン9に限定されず、他の製品の組立ラインや工作機械、電動車両への給電など幅広い分野で利用可能である。
1:非接触給電システム 2:非接触送電装置 22:交流電源回路 25:送電素子 26:電源線 31:送電側信号回路 32:送電側結合トランス 33:送電側制御回路 4:非接触受電装置 41:受電素子 42:受電回路 45:受電線 51:受電側信号回路 52:受電側結合トランス 53:受電側制御回路 8:移動式交換装置 81:移動式交換部 82:駆動部 85:クランプ機構 86:操作機構 89:フィーダ 8A:交換制御部 9:部品実装ライン 91:半田印刷機 92:印刷検査機 93:第1部品装着機 94:第2部品装着機 95:第3部品装着機 99:機台 Sig:信号 Sig2:第2信号 Tp:給電用時間帯 Ts:信号用時間帯 Vpp:正の矩形波電圧 Vpm:負の矩形波電圧 Vsp:パルス電圧 Vsc:搬送波電圧 Hp:矩形波電圧の波高値 Hs:パルス電圧および搬送波電圧の波高値

Claims (9)

  1. 非接触での送電が可能な送電素子と、
    電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯を有する交流電圧を前記送電素子に出力する交流電源回路と、
    前記信号用時間帯に信号電圧を前記送電素子に出力する送信機能、および、前記信号用時間帯に前記送電素子から信号電圧を受け取る受信機能の少なくとも一機能を有する送電側信号回路と、を備え
    前記信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧を含み、
    前記交流電圧は、継続時間が調整される正負の矩形波電圧からなり、
    前記パルス電圧の波高値は、前記矩形波電圧の波高値よりも小さい、
    非接触送電装置。
  2. 前記送電素子は、コアを有する送電コイルであり、
    前記パルス電圧は、正負一対で一つの前記ビット情報を表す請求項1に記載の非接触送電装置。
  3. 前記信号電圧は、複数の前記ビット情報をまとめたビット群を区切る区切り情報を表す搬送波電圧であって、前記パルス電圧と異なる波形の搬送波電圧を含む請求項1または2に記載の非接触送電装置。
  4. 前記送電側信号回路は、前記送電素子と前記交流電源回路とを接続する電源線に電磁結合する送電側結合トランスを含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の非接触送電装置。
  5. 電圧瞬時値の正負が切り替わる間に非接触での送電を行わない信号用時間帯を有する交流電圧を非接触で受け取り可能な受電素子と、
    前記受電素子が受け取った前記交流電圧を変成して負荷に供給する受電回路と、
    前記信号用時間帯に信号電圧を前記受電素子に出力する送信機能、および、前記信号用時間帯に前記受電素子から信号電圧を受け取る受信機能の少なくとも一機能を有する受電側信号回路と、を備え
    前記信号電圧は、ビット情報を表すパルス電圧を含み、
    前記交流電圧は、継続時間が調整される正負の矩形波電圧からなり、
    前記パルス電圧の波高値は、前記矩形波電圧の波高値よりも小さい、
    非接触受電装置。
  6. 前記受電素子は、コアを有する受電コイルであり、
    前記パルス電圧は、正負一対で一つの前記ビット情報を表す請求項5に記載の非接触受電装置。
  7. 前記信号電圧は、複数の前記ビット情報をまとめたビット群を区切る区切り情報を表す搬送波電圧であって、前記パルス電圧と異なる波形の搬送波電圧を含む請求項5または6に記載の非接触受電装置。
  8. 前記受電側信号回路は、前記受電素子と前記受電回路とを接続する受電線に電磁結合する受電側結合トランスを含む請求項5〜7のいずれか一項に記載の非接触受電装置。
  9. 請求項1〜4のいずれか一項に記載され、かつ所定の対基板作業を実施する対基板作業機の機台に配置された非接触送電装置と、
    請求項5〜8のいずれか一項に記載され、かつ前記対基板作業に使用する交換ユニットを自動で交換する移動式交換部に配置された非接触受電装置と、
    を備える非接触給電システム。
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