JP7110664B2 - 非接触電力伝送用部品、非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送用部品、非接触電力伝送装置に関する。

従来、回転体への電力または信号伝送手段として、接触式のスリップリング（回転コネクタ）を利用する構造のものが知られている。この接触式のスリップリングを利用する場合、回転体との接点部分の磨耗を考慮した保守作業が必要となるため、近年では、その手間を省くことが可能な、非接触式の電力または信号伝送手段の開発への要求が高まっている。

特許文献１では、わずかな磁気ギャップを介して回転子コアと磁気的に結合する２つの磁極コアと、それらを軸方向に磁気的に結合するヨークコアとを有し、このヨークコアに固定子巻線が巻かれてなる非接触式の回転トランスが提案されている。また、特許文献２では、電流が一方向に流れる曲がった箇所に対して、反対方向に流れる箇所を同様に曲げて沿わせた形状のコイルからなる、送信アンテナ及び受信アンテナが提案されている。ここでの送信アンテナ及び受信アンテナは、コイルが形成する閉じたループの外側に回転体を配置した、非接触式の電力伝送装置を想定したものである。

特開昭５８－１８２８０７号公報 国際公開第２０１７／０２２０５４号

しかしながら、特許文献１で提案されているような回転トランスでは、例えば磁気抵抗を小さくするために、磁極コアが回転体の周囲を完全に覆うような形状を有する場合（図５）、その磁極コアを回転体から取り外すことは困難である。同様に、特許文献２で提案されているような電力伝送装置では、例えばインダクタンスを高めるために、コイルが回転体の軸の周りを囲むような形状を有する場合（図２）、そのコイルを回転体から取り外すことが困難である。したがって、これらの構成においては、修理、交換等の作業に伴って、磁極コア、コイルの取り付け、取り外しを行うことが難しく、回転体への電力または信号の伝送手段としての利便性が低い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、利便性を向上させた非接触電力伝送用部品と、それを備えた非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係る非接触電力伝送用部品は、筒状の筐体と、前記筐体の内側に固定された第一磁性部材と、前記第一磁性部材の周りにおいて、前記筐体の中心軸方向に、前記第一磁性部材を貫く軸を囲む第一導電部材と、を備え、前記筐体が複数の部分を連結させてなり、複数の連結箇所のうち少なくとも一箇所の連結が、解除可能な構造を有する。

本発明の非接触電力伝送用部品では、磁性部材が筒状の筐体内に固定され、この筐体が複数の部分からなり、展開あるいは分割可能な構造を有している。そのため、例えば回転体が軸方向に長過ぎ、回転体の軸方向に動かして磁性部材および導電部材（コイル）の取り付け・取り外しを行うのが困難な場合であっても、筐体を展開あるいは分割することにより、磁性部材および導電部材を径方向に動かして容易に取り付け・取り外しを行うことができる。また、例えば回転体が径方向に太過ぎて、回転体の径方向に動かして磁性部材および導電部材の取り付け・取り外しを行うのが困難な場合であっても、同様にして取り付け・取り外しを行うことができる。したがって、本発明によれば、修理、交換等の作業に伴って、磁性部材および導電部材の取り付け・取り外しを行うことが容易であり、回転体への電力または信号伝送手段としての利便性を向上させた非接触電力伝送用部品と、それを備えた非接触電力伝送装置を提供することがきる。

（ａ）、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る非接触電力伝送用部品の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）図１の非接触電力伝送用部品を構成する磁性部材および導電部材の斜視図、側面図である。 （ａ）本発明の第二実施形態に係る磁性部材および導電部材の斜視図である。（ｂ）（ａ）の磁性部材および導電部材を展開した斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る磁性部材の断面図である。 本発明の第四実施形態に係る磁性部材の斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る非接触電力装置の断面図である。

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜第一実施形態＞
［非接触電力伝送用部品］
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第一実施形態に係る非接触電力伝送用部品１００の構成を示す斜視図である。図１（ａ）は、非接触電力伝送用部品１００を構成する筐体１０１が閉じており、電力伝送の動作時の状態を示している。図１（ｂ）は、非接触電力伝送用部品１００を構成する筐体１０１が展開されており、回転体への取り付け、あるいは回転体からの取り外しが可能な状態を示している。図２（ａ）、（ｂ）は、筐体１０１内に配置される、第一磁性部材１０２とその周囲に巻かれた第一導電部材１０３の斜視図、側面図である。非接触電力伝送用部品１００は、非接触電力伝送装置を構成する送電用または受電用の部品である。本実施形態では、非接触電力伝送用部品１００を送電用部品とする場合を例にして説明する。

非接触電力伝送用部品１００は、両端が開口した略筒状の筐体１０１と、筐体１０１の内側に固定された第一磁性部材１０２と、第一磁性部材１０２の周りにおいて、筐体の中心軸１０１Ｃ方向に、第一磁性部材１０２を貫く軸１０２Ｃを囲む第一導電部材１０３と、を備えている。

筐体１０１の形状としては、円筒状が好ましいが、第一磁性部材１０２を保持できるものであればよく、矩形筒、多角形筒等のいずれであってもよく、側壁に開口部を有していてもよい。また、筐体１０１を構成する壁の厚みは一様である必要はなく、外壁面の形状と内壁面の形状とは互いに異なっていてもよい。すなわち、外壁面の形状は、内壁面の形状に追従して変化するものでなくてもよく、また、内壁面の形状は、外壁面の形状に追従して変化するものでなくてもよい。したがって、筐体１０１の形状は、例えば、内壁面が円筒状、外壁面が矩形筒状であってもよく、内壁面が矩形筒状、外壁面が円筒状であってもよい。筐体の中心軸１０１Ｃ方向の端部（図１では上側と下側の端部）は、少なくとも、非接触電力伝送用部品１００（ここでは送電用部品）と対になる、受電用部品が通る大きさの開口部を有していればよく、全面が開口していなくてもよい。

筐体１０１は複数の部分からなり、展開あるいは分割可能な構造を有している。すなわち、筐体１０１は、一体でない複数の部分が連結されてなる。複数の連結箇所のうち少なくとも一箇所の連結が、解除可能な構造を有する。図１（ａ）、（ｂ）では、筐体１０１が半円筒状の２つの部分１０１Ａ、１０１Ｂで構成されている場合について例示されている。２つの部分１０１Ａ、１０１Ｂ同士が、周方向Ｅの一端側Ｓ_１で回転軸部材１０１Ｄを介して連結されている。他端側Ｓ_２では、２つの部分１０１Ａ、１０１Ｂ同士が直接連結されているが、この連結は、必要に応じて解除することが可能な構造を有している。この場合の筐体１０１は、一端側Ｓ_１を支点として、他端側Ｓ_２を開閉させることができる。このような筐体としては、例えば物体の把持を目的として開閉制御する機能を有するクランプアーム等を用いることができる。

連結の解除が可能な構造としては、特に限定されるものではないが、例えば、連結解除する部分の一方に凸部を有し、他方に凹部を有し、一方の凸部を他方の凹部に嵌め込む構造等が挙げられる。連結解除が可能でない部分同士については、常時結合されているものとする。

筐体１０１の材料としては、例えば、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂等を用いることができる。

図２（ｂ）に示すように、第一磁性部材１０２は、筐体の中心軸１０１Ｃ方向において、第一導電部材１０３で巻かれた領域（中央部）Ｒ_１より外側に延在していることが好ましい。すなわち、中心軸１０１Ｃ方向における第一磁性部材１０２の両端部に、それぞれ、第一導電部材１０３が巻かれていない領域Ｒ_２を有する。中心軸１０１Ｃ方向において、領域Ｒ_１より外側に延在する２つの部分（領域Ｒ_２）の長さの合計は、第一磁性部材１０２全体の長さの１０％以上、かつ１ｍｍ以上であることが好ましい。延在する部分の長さをこの範囲とすることにより、対になる受電用部品を配置した際に、送電側の第一導電部材（送電コイル）と受電側の第二導電部材（受電コイル）の磁気結合定数が、０．２以上となり、電力伝送に必要となる磁気結合を確保することができる。

第一磁性部材１０２は、筐体を構成する複数の部分のうち、少なくとも一つの部分の内側に配置されていればよい。均一な磁路を形成する観点から、筐体１０１の中心軸１０１Ｃに対称に配置されていることが好ましく、複数の部分のそれぞれに固定されていればより好ましく、全周にわたって配置されていれば最も好ましい。同じ観点から、第一磁性部材１０２は、筐体１０１を閉じた際に、隙間が少ない形状（略一体化した形状）になることが好ましく、円筒状になればより好ましい。また、第一磁性部材１０２は、筐体１０１への固定をしやすくする観点から、筐体の内側面に沿って曲がった（湾曲した）形状であることが好ましい。第一磁性部材１０２は、一体の部材でなくてもよく、互いに別体となる複数の部材で構成されていてもよい。筐体１０１の各部分に固定される部材の数が限定されることはなく、１つであってもよいし、２つ以上であってもよい。また、１つの部材が筐体１０２の複数の部分に跨って固定されていてもよい。

第一磁性部材１０２の材料としては、例えば、フェライト、金属系軟磁性体、またはそれらと樹脂を複合させた材料等を用いることができる。

第一導電部材１０３としては、導線を螺旋状に巻回したコイルを用いることが好ましく、この場合、筐体の中心軸１０１Ｃ方向の単位長さ当たりの巻き数は、３回以上５００回以下であることが好ましい。第一導電部材１０３の材料としては、例えば、軟銅線、アルミニウム線等を用いることができる。

以上のように、本実施形態に係る非接触電力伝送用部品１００では、第一磁性部材１０２が筒状の筐体１０１内に固定され、この筐体１０１が複数の部分からなり、展開あるいは分割可能な構造を有している。そのため、例えば回転体が軸方向に長過ぎ、回転体の軸方向に動かして第一磁性部材１０２および第一導電部材（コイル）１０３の取り付け・取り外しを行うのが困難な場合であっても、筐体１０１を展開あるいは分割することにより、第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３を径方向に動かして、容易に取り付け・取り外しを行うことができる。

また、例えば回転体が径方向に太過ぎて、回転体の径方向に動かして第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３の取り付け・取り外しを行うのが困難な場合であっても、同様にして取り付け・取り外しを行うことができる。

したがって、本実施形態によれば、修理、交換等の作業に伴って、第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３の取り付け・取り外しを行うことが容易であり、回転体への電力または信号伝送手段としての利便性を向上させた非接触電力伝送用部品１００と、それを備えた非接触電力伝送装置を提供することがきる。

＜第二実施形態＞
図３（ａ）は、本発明の第二実施形態に係る非接触電力伝送用部品のうち、筐体１０１を除いた部分（第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３）の斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３を展開し、その一部を拡大した斜視図である。

本実施形態の非接触電力伝送用部品では、第一導電部材１０３が、フレキシブル基板１０３Ａと、その一方の主面１０３ａに形成された導電パターン（導電膜）１０３Ｂと、で構成されている。導電パターン１０３Ｂには、保護膜等の用途に応じた膜が形成されていてもよい。第一導電部材１０３は、フレキシブル基板１０３Ａの他方の主面１０３ｂ側が、第一磁性部材１０２と対向するように配置されている。フレキシブル基板１０３Ａと第一磁性部材１０２とは、接触していてもよいし、離間していてもよい。導電パターン１０３Ｂは、フレキシブル基板１０３Ａが第一磁性部材１０２の周りに巻かれた状態（図３（ａ）の状態）において、螺旋状になるように形成されている。その他の構成については、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と同じ箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態においても、第一実施形態と同等の効果が得られる。

この場合のフレキシブル基板１０３Ａの材料としては、例えばポリイミド等を用いることができる。フレキシブル基板１０３Ａの厚みは、５μｍ以上５００μｍ以下の範囲であることが好ましい。

また、この場合の導電パターン１０３Ｂの材料としては、例えば銅箔等を用いることができる。導電パターン１０３ｂは、スパッタリング法等の公知の方法を用いて形成することができる。導電パターン１０３Ｂは、幅が１０μｍ以上５ｍｍ以下の範囲であることが好ましく、厚みが１７μｍ以上３００μｍ以下の範囲であることが好ましい。

＜第三実施形態＞
図４は、本発明の第三実施形態に係る非接触電力伝送用部品のうち、筐体１０１を除いた部分（第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３）の断面図である。第一磁性部材１０２で囲まれる位置に、対になる伝送部品（受電用部品）１０４を配置することを想定し、伝送部品１０４を破線で示している。第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３の奥側の図示は省略している。

本実施形態の非接触電力伝送用部品では、第一磁性部材１０２が中心軸１０１Ｃ側に凹凸構造を有している。図４では、第一磁性部材１０２が、中心軸１０１Ｃ方向の端部（図４では上端部および下端部）において、中心軸１０１Ｃ側に突起部１０２ａを有し、第一筐体１０１の周方向Ｅに垂直な断面が略Ｕ字状をなしている。第一導電部材１０３は、突起部１０２ａのない部分に巻かれている。その他の構成については、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と同じ箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態においても、第一実施形態と同等の効果が得られる。

図４に示すように対になる伝送部品１０４を配置した際に、上述した実施形態では、第一磁性部材１０２を、少なくとも第一導電部材１０３の幅の分だけ、対になる伝送部品１０４を構成する磁性部材から離間させる必要がある。しかしながら、本実施形態では、第一導電部材１０３が巻かれていない突起部１０２ａにおいて、当該磁性部材との距離を縮めることができ、突起部１０２ａがない場合に比べて、良好な電力伝送を行うことができる。

＜第四実施形態＞
図５は、本発明の第四実施形態に係る非接触電力伝送用部品のうち、筐体１０１を除いた部分（第一磁性部材１０２および第一導電部材１０３）の斜視図である。本実施形態の非接触電力伝送用部品では、第一磁性部材１０２が、３つ以上の複数の部分１０２Ａで構成されている。その他の構成については、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と同じ箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態においても、第一実施形態と同等の効果が得られる。

第一導電部材１０３は、第一実施形態の第一導電部材１０３と同様に、螺旋状のコイルであってもよいし、第二実施形態の第一導電部材１０３と同様に、フレキシブル基板に導電パターンが形成されたものであってもよい。また、第一導電部材１０３は、図５に示すように、各部分１０２Ａの周りに螺旋を形成して巻かれており、互いに分離されていてもよいが、１つの電源で動作させられるように、一体であることが好ましい。

図５では、第一磁性部材１０２が、周方向Ｅに並んだ複数の部分で構成されている場合について例示しているが、筐体に収容される範囲であれば、いずれの方向に並んだ部分で構成されていてもよい。第一磁性部材１０２を構成するそれぞれの部分同士は、互いに離間していてもよいが、電力伝送に用いる磁性部材の体積を確保する観点から、離間距離は短い方が好ましい。

［非接触電力伝送装置］
図６は、本実施形態に係る非接触電力伝送装置２００の構成を示す断面図である。非接触電力伝送装置２００は、上述した非接触電力伝送用部品１００と、一方向に延在する棒状の第二磁性部材２０２と、第二磁性部材２０２の周囲に巻かれた第二導電部材２０３と、を備えている。ここでは、筐体１０１の図示を省略しているが、筐体の中心軸方向１０１Ｃにおいて、第一磁性部材１０２と第二磁性部材２０２のうち、一方が他方より長いことが好ましい。

第二磁性部材２０２は、筐体１０１で囲まれた領域を、筐体１０１の中心軸１０１Ｃ方向に貫通するように配置されている。第二磁性部材２０２の延在方向は、中心軸１０１Ｃ方向と略平行となっている。第二磁性部材２０２の材料としては、例えば、フェライト、金属系軟磁性体、およびそれらと樹脂を複合させた材料等を用いることができる。

第二導電部材２０３は、第一実施形態の第一導電部材１０３と同様に、螺旋状のコイルであってもよいし、第二実施形態の第一導電部材１０３と同様に、フレキシブル基板に導電パターンが形成されたものであってもよい。

筐体の中心軸１０１Ｃ方向において、第一磁性部材１０２の第一導電部材１０３で巻かれた領域Ｒ_１（破線で挟まれた領域）が、第二磁性部材２０２の第二導電部材２０３で巻かれた領域（一点鎖線で挟まれた領域）Ｒ_３より、外側に延在している。このような構成においては、中心軸１０１Ｃ方向において、第一導電部材１０３と第二導電部材２０３とが重なった状態を維持することができ、第一導電部材１０３と第２導電部材２０３との相対的な位置ずれの影響を小さくすることができる。

第二磁性部材２０２は、筐体の中心軸１０１Ｃ方向に沿って延びる貫通孔２０２Ａを有することが好ましい。第二磁性部材２０２が貫通孔２０２Ａを有する場合、内側に部品を収容することができ、また、回転体の軸を配置することもできる。

１００・・・非接触電力伝送用部品
１０１・・・筐体
１０１Ａ、１０１Ｂ・・・筐体を構成する部分
１０１Ｃ・・・筐体の中心軸
１０１Ｄ・・・回転軸部材
１０２・・・第一磁性部材
１０２ａ・・・突起部
１０２Ｃ・・・第一磁性部材を貫く軸
１０３・・・第一導電部材
１０３Ａ・・・フレキシブル基板
１０３Ｂ・・・導電パターン
１０３ａ、１０３ｂ・・・フレキシブル基板の主面
１０４・・・伝送部品
２００・・・非接触電力伝送装置
２０２・・・第二磁性部材
２０２Ａ・・・貫通孔
２０３・・・第二導電部材
Ｅ・・・筐体の周方向
Ｒ_１・・・第一導電部材で巻かれた領域
Ｒ_２・・・第一導電部材で巻かれていない領域
Ｒ_３・・・第二導電部材で巻かれた領域
Ｓ_１・・・筐体を構成する部分の一端側
Ｓ_２・・・筐体を構成する部分の他端側

Claims (9)

1. 筒状の筐体と、
   前記筐体の内側に固定された第一磁性部材と、
   前記筐体の中心軸方向に前記第一磁性部材を貫く軸を囲むように、前記第一磁性部材の周囲を囲む、第一導電部材と、を備え、
   前記筐体が複数の部分を連結させてなり、複数の連結箇所のうち少なくとも一箇所の連結が、解除可能な構造を有し、
   前記筐体は、前記少なくとも一箇所の連結において展開あるいは分割可能な構造を有し、
   前記第一導電部材が、前記第一磁性部材の周囲に巻かれたフレキシブル基板と、その主面に形成された線状の導電パターンと、で構成され、
   前記導電パターンが、前記フレキシブル基板が前記第一磁性部材の周りに巻かれた状態において、螺旋状になるように形成されていることを特徴とする非接触電力伝送用部品。
2. 前記第一磁性部材が、前記複数の部分のそれぞれに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送用部品。
3. 前記第一磁性部材が、前記筐体の中心軸方向において、前記第一導電部材で巻かれた領域より外側に延在していることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の非接触電力伝送用部品。
4. 前記筐体の中心軸方向において、前記第一磁性部材のうち、前記第一導電部材で巻かれた領域より延在する部分の長さが、前記第一磁性部材全体の長さの１０％以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の非接触電力伝送用部品。
5. 前記第一導電部材が、導線を螺旋状に巻回したコイルであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の非接触電力伝送用部品。
6. 筒状の筐体と、
   前記筐体の内側に固定された第一磁性部材と、
   前記筐体の中心軸方向に前記第一磁性部材を貫く軸を囲むように、前記第一磁性部材の周囲を囲む第一導電部材と、を備えた非接触電力伝送用部品と、
   筒状の前記筐体を中心軸方向に貫通する、棒状の第二磁性部材、および、その周囲に巻かれた第二導電部材と、を備え、
   前記筐体が複数の部分を連結させてなり、複数の連結箇所のうち少なくとも一箇所の連結が、解除可能な構造を有し、
   前記筐体は、前記少なくとも一箇所の連結において展開あるいは分割可能な構造を有することを特徴とする非接触電力伝送装置。
7. 前記筐体の中心軸方向において、前記第一磁性部材の前記第一導電部材で巻かれた領域が、前記第二磁性部材の前記第二導電部材で巻かれた領域より、外側に延在していることを特徴とする請求項６に記載の非接触電力伝送装置。
8. 前記筐体の中心軸方向において、前記第一磁性部材と前記第二磁性部材のうち、一方が他方より長いことを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
9. 前記第二磁性部材は、前記筐体の中心軸方向に沿って延びる貫通孔を有することを特徴とする請求項６～８のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。

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